EP3766719B1 - Betreiben eines schienenfahrzeugs beim passieren von trennstellen in einer fahrzeugexternen stromversorgung - Google Patents

Betreiben eines schienenfahrzeugs beim passieren von trennstellen in einer fahrzeugexternen stromversorgung Download PDF

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EP3766719B1
EP3766719B1 EP20186498.0A EP20186498A EP3766719B1 EP 3766719 B1 EP3766719 B1 EP 3766719B1 EP 20186498 A EP20186498 A EP 20186498A EP 3766719 B1 EP3766719 B1 EP 3766719B1
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voltage
main transformer
rail vehicle
power supply
electrical energy
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Jörg-Torsten MAASS
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Bombardier Transportation GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a rail vehicle when passing disconnection points in a vehicle-external power supply and a rail vehicle.
  • the supply of rail vehicles with electrical energy by means of a vehicle-external power supply is known.
  • the power supply can include, for example, a conductor rail or an overhead contact line system on which a live contact wire is mounted.
  • the rail vehicles can also include suitable current collectors in a manner that is also known, for example with a pantograph or a side-mounted conductor rail counterpart.
  • the power supply is often in the form of single-phase alternating current.
  • a power supply grid for example a so-called state grid or generally a public power grid
  • successive sections of the power supply can each carry alternating current with different phases from one another or, in other words, can be fed from different phases of a typically three-phase mains supply.
  • the sections of so-called substations are connected to the power supply network and supplied with power from a desired phase.
  • a typical voltage applied to the power supply is 25 kV and the frequency of an alternating current carried by it is, for example, 50 Hz or 60 Hz. In Germany, a voltage of 15 kV and a current frequency of 16.7 Hz are common.
  • phase separation points are electrically isolated from one another via so-called phase separation points.
  • a typical phase separation point is characterized by the isolation of a first adjacent current-carrying device (e.g. in form of an overhead line or conductor rail) with a so-called section insulator. This can be followed by an overhead line or conductor rail section within the separation point, which is not supplied with voltage and may even be grounded. No electrical energy for driving the rail vehicle can be taken from this section.
  • a current-carrying device then follows in turn, which, however, preferably carries current from a different phase and for this purpose is preferably also fed from a different substation than the preceding current-carrying device. A power supply from another current path of the same substation is also possible.
  • a separation point and in particular a phase separation point can define a neutral section within the power supply, in which at least as a rule it is not possible to draw energy for driving the rail vehicle.
  • disconnection points it is also possible to energize disconnection points, at least temporarily, in the event of malfunctions or special operation. It is also possible to feed current into the disconnection point dynamically or as required while a rail vehicle is passing through. Within the scope of this invention, however, provision can be made not to take into account such special operations or separation points designed for this purpose and/or to focus on separation points and in particular phase separation points that define a neutral section of the above type. If disconnection points that can be at least selectively energized are also provided within the power supply, however, the procedure can be analogous to disconnection points with purely neutral sections for these disconnection points according to any of the variants described herein
  • phase separation points are also known to enable a transition between different voltage or current systems (so-called system separation points).
  • the main transformer is used in a manner known per se to transform and typically reduce the AC voltage present at the current collector or at a primary side of the main transformer to a desired AC voltage level.
  • the transformed AC voltage can then be converted into a DC voltage, which is typically applied to a DC voltage intermediate circuit, by means of so-called mains converters.
  • This supplies various loads (e.g. so-called auxiliary systems) and/or the traction motors of the rail vehicle, for which purpose the DC voltage is typically converted back into a suitable AC voltage by a motor converter.
  • the mains converters are also typically deactivated or blocked when driving through a disconnection point in order to avoid unstable magnetization of the main transformer (e.g. without stabilizing primary voltage).
  • phase separation points cannot be detected in good time, especially if this is to be done by the vehicle driver. This can result in driving through the separation point with the main switch closed and without a slight reduction in traction power, which can lead to an arc when the separation points are reached. This can cause damage to the power supply and in particular to a section insulator there and/or to the vehicle. Defective section insulators appear disproportionately often in damage statistics of rail vehicle infrastructures.
  • a rail vehicle with a current collector in contact with a contact wire is known.
  • a voltage of the main transformer can be matched to that of the contact wire and only then can the pantograph make contact with the contact wire. This can also occur when passing disconnection points or generally when driving into power supply sections with different voltages.
  • the invention generally provides that the main transformer is not completely switched off when passing (ie driving through) a phase separation point, ie not completely separating it from a voltage supply. Instead, it is proposed to apply an AC voltage to a secondary side of the main transformer, characterized in that another converter is operated as a rectifier while passing the phase separation point and is fed with electrical energy from the main transformer. This has the consequence that the main transformer remains at least partially magnetized, ie a magnetic field can be maintained at least partially there, even though no or at least not the usual voltage of the vehicle-external power supply is present in the area of the separation point on the primary side.
  • the main transformer By reducing equalizing currents, the main transformer is less loaded and the risk of protective shutdowns is prevented, which in turn endanger the driving dynamics or generally the desired vehicle operation.
  • the traction power is reduced, so that while passing a separation point it temporarily assumes a lower value than in subsequent and/or previously passed (supplied) sections of the power supply.
  • the reduction of traction performance can be initiated early in preparation for an upcoming separation point.
  • the traction power can only be increased again after leaving the separation point.
  • a level of traction power can be controlled, for example, via motor converters explained below.
  • any power converter mentioned herein can be operated in a clocked manner and/or can generate an envelope as (fundamental wave) of an AC voltage in the manner of pulse width modulation through rapid switching sequences.
  • the proposed solution reduces the risk of internal resonances in the main transformer, which can occur if there is a voltage loss on the primary side when passing through the separation point. Such resonances can cause damage to the transformer and components electrically connected to it.
  • the risk of resonance is reduced in a particularly reliable manner if, according to the following embodiments, energy is also drawn from the main transformer in a defined manner, i. H. a damping load is switched to the main transformer.
  • a power converter which is operated as a rectifier and preferably feeds a direct voltage intermediate circuit of the rail vehicle with energy from the main transformer.
  • the avoidance of inrush currents and also any synchronization with an upcoming phase position also means that traction power can be generated again much more quickly after driving through the separation point than was previously the case. This improves driving dynamics and reduces the time without traction power and a general loss of speed by up to two thirds. This is additionally improved by embodiments in which the main switch remains closed when driving through the separation point.
  • a conducting network is connected to the pantograph of the rail vehicle. Consequently, electrical energy can be received or fed in, which is transformed by means of the main transformer.
  • a second operating state when driving through a separation point no mains supply can be present and consequently no external energy supply and transformation can take place. Instead, in this state, the AC voltage can be applied exclusively on the secondary side.
  • the rail vehicle can comprise a number of individual vehicles or train parts which, in principle, can be decoupled from one another and can be moved independently of one another.
  • the rail vehicle can be a train and/or a combination of individual vehicles.
  • the components of the rail vehicle disclosed herein can consequently be distributed among several individual vehicles of such a combination or train. At least one locomotive and/or one railcar is preferably included in such a combination.
  • the rail vehicle can also be a single vehicle, for example a single locomotive or a single railcar.
  • the separation points are preferably phase separation points, which are particularly widespread.
  • the separation points can be voltage-free and/or current-free at least in trouble-free normal operation and consequently form neutral sections of the power supply. While passing a disconnection point (at least in trouble-free normal operation), the energy consumption from the power grid can be interrupted or reduced by at least more than half.
  • the pantograph may include a pantograph.
  • the main transformer is preferably a transformer, on the primary side of which a voltage present at the current collector and thus carried by the power supply can be applied in a manner known per se. This applies in particular if a main switch, explained below, between the main transformer and the pantograph is closed.
  • the main transformer is set up to convert the voltage carried by the power supply into a voltage suitable for the operation of the rail vehicle and in particular to reduce the voltage level.
  • the primary side of the main transformer is understood here to mean that side to which a voltage applied to the pantograph or carried by the power supply can be applied, since the power supply is the main energy source of the main transformer or of the rail vehicle.
  • the secondary side of the main transformer is understood to mean that side to which converters can be connected for supplying any DC voltage intermediate circuit, traction motors or so-called auxiliaries. Depending on the side considered, one can speak of a primary voltage or secondary voltage present there.
  • the fact that the rail vehicle is passing a disconnection point of the power supply can in turn be recognized by the driver, for example by means of a light signal, or can be recognized automatically (for example based on a detected voltage). Analogous to existing solutions, the traction power can then be reduced by the driver or automatically. Subsequent steps, such as applying the AC voltage or all other measures described herein, can in principle be initiated by the driver or autonomously.
  • AC voltage is applied to the secondary side of the main transformer by a suitable AC voltage generator.
  • a suitable AC voltage generator According to the invention, this is an existing one, as will be explained in more detail below Power converters and in particular a line power converter operating as an inverter.
  • the power converter is preferably supplied with electrical energy from electrical energy sources or from electrical energy generators of the rail vehicle and converts this into an AC voltage which is present on the secondary side of the main transformer.
  • the secondary-side power required to set the desired magnetization can be only a few kVA because of the large main inductance and can essentially be reactive power.
  • the alternating voltage on the secondary side is preferably selected in such a way (e.g. with regard to voltage, phase angle and/or amplitude) that a desired primary voltage is generated.
  • the latter preferably corresponds (e.g. also with regard to voltage, phase position and/or amplitude) to a power supply voltage and in particular an overhead line voltage, which is present, for example, in a power supply section following a disconnection point and can be known on the basis of detections explained below or stored or retrievable information. Whether such a primary voltage is achieved can be checked, in particular while passing the separation point, using the voltage measuring device explained below.
  • fundamental waves of a secondary and/or primary voltage can be used here, in particular in connection with the setting and synchronizing processes of these voltages that are described here. More specifically, in the synchronization explained below, fundamental waves of the generated voltages can be considered and in particular a fundamental wave of the primary voltage of the main transformer generated as a result of the AC voltage applied on the secondary side. This should match the fundamental of an expected phase position of the power supply as much as possible. This takes into account the fact that the voltages mentioned can also have other wave or oscillation components, for example in the form of harmonics.
  • the main switch can be of conventional design. It can be the only switch to selectively disconnect the electrical connection between the pantograph and the main transformer.
  • the main switch can include a control device or can be controlled by a control device of the rail vehicle in order to be selectively opened and closed.
  • a further embodiment of the method and rail vehicle provides that a voltage present on the primary side is measured and the AC voltage on the secondary side is adjusted on this basis.
  • a voltage measuring device that is already present in known rail vehicles can be used for the measurement, in particular a so-called high-voltage converter, which suitably converts the voltage present at the pantograph, e.g. for information processing and electrical safety.
  • the voltage measuring device can be positioned between the pantograph and the main switch. Due to the fact that the main switch is preferably kept closed according to the invention, the high-voltage converter can also be used while passing a separation point for voltage measurements on the main transformer primary side. This reduces any conversion or re-planning costs, in particular when converting existing rail vehicles to implement the solution according to the invention.
  • the AC voltage on the secondary side can then be suitably adjusted (in particular reduced), for example by appropriately controlling a power converter that generates the AC voltage. At least one control device of the rail vehicle can be used for this. Overall, this increases operational reliability by avoiding undesired operating states.
  • the AC voltage is generated in such a way that a phase angle of the voltage on the primary side is changed compared to a phase angle of the voltage on the primary side before passing the separation point.
  • the AC voltage is also preferably generated in such a way that the phase position of the primary voltage changes compared to the state before it entered the separation point. This reduces the synchronization effort with the new phase position when moving out of the separation point.
  • phase position While passing through the separation point, the phase position can be changed uniformly and with only low rates of change.
  • this change can, however, be subject to greater rates of change and can be changed in particular in accordance with the primary voltage which is suddenly present again.
  • All of the components mentioned herein and in particular any power converter and/or any detection device can have a sufficiently consistent and in particular a synchronized time scale.
  • the phasing can be defined in relation to this time scale.
  • a common time signal (clock signal) can be provided to these components, in particular via the control device discussed herein.
  • the exception of sufficient time synchronization can apply in particular to long separation points with a length of more than 200 m or more than 400 m. Short separation points with a length of less than 200 m or less than 100 m can be due to the short synchronization time window available in comparison, place higher demands on the correspondence of time information or a common time scale, for example since deviations resulting from a lack of correspondence may no longer be able to be corrected in good time.
  • connection between the secondary voltage and the primary voltage and in particular the phase angles of these voltages and thus also which phase angles on the primary side can be used to set which phase angles on the secondary side (and vice versa) results from the design of the main transformer and/or can be determined experimentally in advance .
  • Information relating to this connection can be stored in a memory device of the rail vehicle.
  • a control device of the rail vehicle can then access this information, as well as optionally information on a new expected phase position, and can then suitably set the AC voltage on the secondary side.
  • the expected phasing can be determined automatically, e.g. at least in part on the basis of information transmitted by an ATC system.
  • the latter can (for example via known balises) transmit information regarding a location of the rail vehicle and also any separation point.
  • which phases are present in individual power supply sections cannot necessarily be transmitted by known ATC systems, but can be stored, for example, in a storage direction of the rail vehicle, which then accesses the associated phase information based on the detected location.
  • the phase angles of successive power supply sections are specified by interconnections of the substations feeding these sections and are stored, for example, in the infrastructure tables of the railway network operators.
  • the phase length can also be detected by sensors, for which purpose a detection device can be used.
  • the detection device can deliver a detection signal (for example via a measuring unit integrated therein), which can be evaluated by an evaluation device of the detection device to determine the phase position.
  • the evaluation device can be integrated into a control device of the rail vehicle and/or can be spatially spaced apart from the measuring unit. If the positioning of the detection device is referred to here, this can only relate to a possible measuring unit.
  • An example of a suitable detection device can be found in EP 3 182 142 A , In particular in the form of the device 1 from the local figure 1 .
  • the sensor elements or capacitive units there are able to generate voltages themselves in response to the voltage present in a power supply.
  • the time profile of these generated voltages follows those of the power supply, so that the phase position of the power supply can also be determined from this.
  • the capacitive units act as a type of capacitive voltage divider, with the voltage drop in them following that of the power supply in its course, which allows conclusions to be drawn about the phase position.
  • the detection device can operate without contact and/or detect the relevant information without contact. More specifically, she cannot touch the power supply during detection.
  • a field sensor (or field mill) can also be considered as a detection device (or at least as a measuring unit thereof).
  • the phase position after the separation point can also be optionally detected or measured.
  • the detection device (and in particular at least one possible measuring unit thereof) is preferably positioned in front of the pantograph, viewed in the direction of travel, in order to determine the phase position ahead before the pantograph enters the power supply section (catenary wire section) with this phase position.
  • the detection device and the current collector can be positioned in different halves of the vehicle and/or arranged on different individual vehicles or wagons and, in particular, be spaced apart from one another by a number of individual vehicles or wagons.
  • the phase position of the primary voltage is preferably synchronized at least to the extent with the (expected or measured) phase position after the point of separation that any compensating currents do not exceed a permissible maximum value.
  • the permissible maximum value can define a limit above which an increased risk of protective shutdowns is to be expected.
  • the changed phase position corresponds to a (e.g. expected or measured) phase position of the power supply after the separation point, or that a phase difference from this phase position that exists after the separation point does not correspond to a permissible maximum difference exceeds.
  • the permissible maximum difference can be selected in such a way that, until this maximum difference is reached, no impermissibly high compensating currents occur and in particular no compensating currents that exceed the permissible maximum value explained above.
  • Simulation or test drives can be used to determine how the AC voltage on the secondary side must be selected so that synchronization can be achieved that meets the conditions described here with regard to equalizing current and/or phase difference.
  • phase difference of no more than 135° and in particular no more than 120° of the phase positions, i. H. with such phase differences, as expected, no impermissibly high compensating currents occur.
  • fundamental waves of the generated voltages can be considered during the synchronization and in particular a fundamental wave of the primary voltage of the main transformer generated as a result of the AC voltage applied on the secondary side. This should match the fundamental wave of an expected phase position as much as possible.
  • phase differences between the individual phases or currents of a power supply network and/or the power supply it is also possible for known phase differences between the individual phases or currents of a power supply network and/or the power supply to make an assumption as to which phase position is expected next. It is known, for example, that in a power supply network the phase difference between the three phases is 120° in each case, but that adjacent feed sections can also have other phase differences of, for example, 60°, 90°, 180°, but in principle also 120°, by operating the substations accordingly . As a rule, it can be assumed with sufficient certainty that the phases of adjacent line sections of the power supply that are supplied with electricity always differ from one another; when a separation point is reached (e.g.
  • phase position ahead will differ by at least + 60° or at least - 60° from the previous phase position.
  • a difference in the phase angles of 0° is also possible.
  • the AC voltage on the secondary side can then be selected accordingly in order to set a voltage on the primary side with this presumed phase position.
  • the maximum phase difference of e.g. 120° when entering the next live section of the power supply may still not cause impermissibly high compensating currents. This applies in particular if the load already mentioned is also applied to the main transformer, which dampens such compensating currents.
  • the above power converter is referred to herein as the "first" power converter, merely by way of example, in order to distinguish it from a “further” power converter according to the invention, which is explained below.
  • the first and the further power converter can in principle be of the same design, but are preferably connected to different and in particular to individually assigned secondary windings (or, to put it another way, secondary coils) of the main transformer.
  • the first power converter can be a so-called mains power converter. This is characterized in that it rectifies a secondary voltage of the main transformer in order to feed a DC link.
  • the DC link can generally have at least one auxiliary system and/or an on-board network and/or at least one motor converter and/or (at least indirectly) at least one traction motor of the rail vehicle feed electrical energy.
  • the power converter can, in a manner known per se, comprise semiconductor switching elements which can be controlled or switched in a suitable manner for operation as an inverter or rectifier.
  • a chargeable electrical energy store can be provided in the form of a battery.
  • a traction motor of the moving rail vehicle can be operated as a generator (support braking mode).
  • the electrical energy thereby generated can be used by the first power converter to generate an AC voltage and apply it to the secondary side of the main transformer.
  • provision can therefore be made to activate support braking operation while passing a separation point, in order to supply energy to the DC voltage intermediate circuit. This can then feed the first power converter.
  • Any of the energy sources mentioned above can also be used to operate an on-board network and/or auxiliary systems of the type described here and also continue to be supplied with electrical energy when driving through a separation point. This improves passenger comfort, since auxiliary systems, such as vehicle air conditioning, interior lighting and also a traction motor fan, can continue to be operated without interruption when driving through a separation point.
  • a further power converter is operated as a rectifier and is supplied with electrical energy by the main transformer.
  • This converter is preferably also a mains converter of the type explained above.
  • the further converter can be connected to the main transformer via its own secondary winding, ie in particular via a different secondary winding than the first converter. Because it is fed with electrical energy from the main transformer, the further power converter forms a defined electrical load. An active power of more than 1 kW of the additional power converter can ensure sufficiently stable conditions.
  • a complete power supply of an on-board network or any auxiliaries via this converter is not necessary, at least in the operating state described, since, for example, a DC voltage intermediate circuit fed by support braking operation or energy storage can also be used
  • a defined electrical load can also be provided in that at least one traction motor of the rail vehicle generates traction energy when passing the separation point, with the electrical energy required for this being generated from another traction motor is generated, which is operated in support braking mode.
  • the energy generated by the additional traction motor is preferably used via the first power converter explained above to magnetize the main transformer (ie to apply an AC voltage there).
  • the traction motor operated to generate traction energy is preferably fed with electrical energy from the main transformer via the additional power converter explained above.
  • the AC voltage is generated in such a way that a magnetization (i.e. a magnetic flux and/or a remaining remanence) of the main transformer is reduced while passing the separation point and/or does not exceed a permissible maximum value.
  • a magnetization i.e. a magnetic flux and/or a remaining remanence
  • an amplitude of the alternating voltage can be chosen suitably for this purpose and in particular can be reduced compared to an amplitude of the primary voltage before entering the separation point.
  • a phase position of the AC voltage can in principle be selected as desired, i.e. this development can be carried out as an alternative (optionally but also in addition) to phase synchronization.
  • the main transformer can therefore be (at least partially) demagnetized in a targeted manner, in particular to reduce a magnetic flux of e.g. 0.6 T - 0.7 T (compared to e.g. 1.5 T - 1.6 T at primary-side rated voltage outside the separation point).
  • This demagnetization can take place by generating a preferably gradually decaying alternating magnetic field, which is generated in accordance with the applied secondary-side alternating voltage with, for example, a correspondingly gradually decaying amplitude.
  • the AC voltage and in particular its amplitude can be selected in such a way that a magnetic flux of the main transformer (e.g. in its magnetic core) does not exceed a maximum possible, a measured or a typically expected remanence.
  • This magnetic flux can form the maximum value mentioned above, which should not be exceeded.
  • the maximum possible remanence can occur when switching off at the voltage zero crossing and in particular after saturation has already been reached.
  • the expected remanence can be assumed to be a remanence occurring under typical operating conditions and given main transformer construction, which can correspond to a maximum remanence, for example. In the present case, there is then typically initially a magnetic flux in the order of magnitude of this remanence when it is moved into the separation point and the AC voltage is applied on the secondary side.
  • the amplitude may be reduced (e.g., by at least a third or at least a half) compared to the amplitude of the secondary AC voltage when driving in a live portion of the power supply.
  • An amplitude reduction can generally be achieved by changing the operation of the corresponding power converter, in particular by changing the clocking of it.
  • the cycle times or switch-on times of the power converter can be further apart in the case of pulse width modulation than is the case for generating higher voltage amplitudes.
  • the relationship between an amplitude of the secondary-side AC voltage and the magnetization that occurs can be experimentally determined or calculated in advance. Magnetic flux measurements are also possible, so that the AC voltage is suitably regulated to achieve a desired magnetic flux can be. However, as outlined herein, generally (preferably successively) reducing from the previous amplitude in the live section and maintaining it for a certain minimum number of AC half-waves can enable a desired degaussing.
  • provision can generally be made to run through more than one half-wave of the secondary-side AC voltage with a preferably reduced amplitude and, for example, at least three or at least five such half-waves.
  • the AC voltage frequency can generally be sufficient or specifically adjusted to ensure that such a number of half-cycles can be passed through a separation point (with a known and/or expected length) during a trip (with a known and/or expected speed).
  • the amplitude can preferably be successively reduced. For example, after a predetermined number of full or half waves (preferably several times) has been run through, a further number of full or half waves with (preferably in each case) a further reduced amplitude can be run through.
  • the amplitude can initially be selected in such a way that the coercive field strength is reached. The amplitude can then gradually decay. A value of the amplitude can be maintained over a defined number of full or half waves (e.g. over at least three half waves).
  • the amplitude of the secondary-side AC voltage can also be measured or determined from operating parameters of the voltage-generating power converter.
  • the rail vehicle can include any further development and any other feature in order to provide or execute all of the above or following steps, operating states and functions.
  • the rail vehicle can be set up to carry out a method according to any of the above or below aspects. All of the above statements on and developments of method features can also apply to the identical vehicle features or be provided for them.
  • the rail vehicle comprises at least one power converter (for example a mains power converter according to any of the above aspects) and a control device, the control device being set up to control the power converter in such a way that it is operated as an inverter while passing the separation point and on the secondary side AC voltage generated
  • Auxiliary systems of the rail vehicle can be supplied from the DC voltage intermediate circuit (preferably also under the control of the control device) via a so-called on-board network.
  • the rail vehicle preferably includes at least one traction motor, which can also be driven with energy from the DC link.
  • a motor converter can be provided for this purpose, which converts the intermediate circuit voltage into an AC voltage suitable for the operation of the traction motor.
  • the control device can include at least one processor device, which preferably has at least one microprocessor.
  • the processor device can be set up to execute program instructions that are stored, for example, on a storage device for preferably digital information.
  • the control device can cause the rail vehicle to carry out all the method steps and method measures described herein.
  • the control device can perform all the functions of ATC systems described herein or provide such an ATC system or be included in it.
  • the controller may be integrated into a single unit or into a single higher level component of the rail vehicle, such as a power converter.
  • the control device can also include a plurality of (electronic and/or digital) control devices which are distributed in the rail vehicle and each in turn preferably include a process device. At least some of the distributed control devices are preferably set up to communicate with one another.
  • One of the control devices can be a central control device and receive information from other control devices and/or control them to carry out the steps and measures according to the invention.
  • FIG 1 a rail vehicle 10 according to an exemplary embodiment of the invention is shown.
  • the rail vehicle 10 comprises a combination of individual vehicles in the form of a center car 11 and two railcars 13.
  • the components of the rail vehicle 10 explained herein can in principle be distributed to the center car 11 and the rail car 13 in any desired manner.
  • just one of the individual vehicles 11, 13 could also include all of these components and form a rail vehicle 10 within the meaning of this disclosure.
  • the rail vehicle 10 could also be coupled to a rail vehicle 10 of the same type that is driving ahead, for example. Then each of these coupled rail vehicles 10 could be operated independently of each other in the manner described below.
  • the rail vehicle 10 runs on a route 12 along which an overhead line system 14 runs.
  • the overhead contact line system 14 forms a vehicle-external power supply 15. It comprises, in a manner known per se, masts 16, the distances between which, as well as all other proportions, are in figure 1 are shown only schematically.
  • Live contact wire sections 18 run between the masts 16. Each of these contact wire sections 18 is fed by its own substation 20, with each Substation 20 is fed from a higher-level power supply network 23 (for example from a national network).
  • a higher-level power supply network 23 for example from a national network.
  • phase separation points 22 In the area of the masts 16, adjacent contact wire sections 18 are separated from one another by phase separation points 22 and, more precisely, electrically isolated from one another.
  • the phase separation points 22 do not carry any voltage and therefore represent neutral sections of the power supply 15 in which no energy consumption by the rail vehicle 10 is possible.
  • each substation 20 makes it possible for each substation 20 to supply an associated contact wire section 18 with an individual alternating current phase from the three-phase power supply network 23 in order to avoid unbalanced loads in the power supply network 23 .
  • the phases alternate evenly, so that a different phase is present in each bicycle section 18 than in the contact wire section 18 ahead, viewed in the direction of travel F.
  • Such a priori knowledge can be stored in a control device 32 of the rail vehicle or in a storage device 34 connected thereto, or can be queried by the control device 32 from an infrastructure server (not shown). Part of this knowledge can also be which contact wire section 18 has which phase, which the control device 32 can correspondingly determine or read out.
  • the rail vehicle 10 optionally has a phase detection device 31 with which the phase of a contact wire section 18 can be additionally or alternatively detected by sensors.
  • the phase detection device 31 is positioned in such a way that, viewed in the direction of travel F, it is further forward than a pantograph 30 of the rail vehicle 10 .
  • the pantograph 30 can be brought into contact with the contact wire sections 18 in order to receive electrical energy from them.
  • an alternating current with a different phase is obtained via the pantograph 30 .
  • the rail vehicle 10 can comprise two current collectors 30 and two phase detection devices 31, with a front and rear end of the rail vehicle 10 at each (viewed in the direction of travel F).
  • Current collector 30 and a phase detection device 31 is arranged.
  • the pantograph 30 that is at the rear as viewed in the direction of travel F is then preferably raised and brought into contact with the power supply 15, and the phase detection device 31 that is at the front as viewed in the direction of travel F is operated and evaluated.
  • phase synchronization of the type discussed herein can be performed.
  • the rail vehicle 10 When traveling in the direction of travel F, the rail vehicle 10 passes several contact wire sections 18 with different AC voltage phases as well as the neutral sections in between in the form of phase separation points 22. In the area of these phase separation points 22, the energy is drawn from the national grid 23 and the power supply 15 temporarily interrupted.
  • figure 2 shows a schematically simplified drive system 36 of the rail vehicle 10, not shown in detail figure 1 .
  • the components of this drive system 36 can in principle be distributed to any individual vehicles 11, 13 of the rail vehicle 10, but can optionally be combined in one of the railcars 13.
  • all of the shown components of the drive system 36 can be connected to the control device 32 in order to transmit signals to it and/or to receive control signals from it. This also applies to the phase detection device 31 figure 1 .
  • the drive system 36 is electrically connected to the current collector 30, which is also shown.
  • the recorded electric Energy is fed through a conventional high-voltage converter 40 and a conventional main switch 38 to a main transformer 42, which is also conventional.
  • the main switch 38 is set up in a known manner to disconnect the electrical connection between the current collector 30 and the main transformer 42 by selective opening.
  • the high-voltage converter 40 can measure an applied voltage and/or a current flow which is applied to the main transformer 42 on the primary side. In this case, the high-voltage converter 40 is connected in a conventional manner between the current collector 20 and the main switch 38 .
  • the internal structure of the main transformer 42 is also shown in a highly simplified form.
  • a magnetic core 48 and a primary winding 44 to which a primary voltage is applied are shown.
  • Secondary windings 46 to which a (transformed) secondary voltage is applied are also shown.
  • a main operating state of the main transformer 42 is assumed, in which the electrical energy picked up via the current collector 30 is provided on the primary side and is converted into a secondary-side voltage for further use within the rail vehicle 10 .
  • a power converter is also connected to each of the secondary windings 46, namely a first power converter 50 and a further power converter 52.
  • Both power converters 50, 52 which can also be referred to as mains power converters, can be operated either as rectifiers or as inverters and with a DC voltage intermediate circuit 51 tied together.
  • Traction motors 56 are also connected to this DC voltage intermediate circuit 51 and can be operated either as a motor or as a generator.
  • a motor converter 54 is connected between the DC voltage intermediate circuit 51 and the traction motors 56, which in turn can be operated either as a rectifier (for generator operation) or as an inverter (for motor operation).
  • auxiliary systems 58 are also connected to the DC link 51 via an on-board network 57 . It is also possible as an alternative to the variant figure 2 the auxiliaries 58 via a separate secondary winding 46 and independently of the DC voltage intermediate circuit 51, to which the Traction motors 56 are connected to supply electrical energy. Even then, however, at least one further power converter 52 would be present between this secondary winding 56 and the auxiliaries 58 and would be operated in the manner explained below.
  • the pantograph 20 is in contact with a live contact wire section 18 and the main switch 38 is closed, as is generally the case during travel, the single-phase AC voltage of the power supply 15 is present on the primary side of the main transformer 42 (minus line losses not considered in more detail here).
  • the main transformer 42 converts this voltage to a secondary side voltage, which is typically lower.
  • both of the power converters 50, 52 are preferably operated as rectifiers and feed the DC voltage intermediate circuit 51 with electrical energy, which is provided by the main transformer 42.
  • the DC voltage intermediate circuit 51 feeds the motor converters 54, which generate AC voltage for the motor operation of the traction motors 56.
  • the auxiliaries 58 are fed from the DC voltage intermediate circuit 51 .
  • the main switch 38 is kept closed even when a phase separation point 22 is passed, after the automatic or manual withdrawal of the traction power has preferably also been carried out.
  • the invention provides, however, that the first power converter 50 generates an AC voltage when passing through the phase separation point 22 corresponding secondary winding 46 of the main transformer 42 is applied. In principle, this would also be possible with the main switch 38 open. In this way, the magnetic field 42 is at least partially maintained in a defined manner and a primary-side voltage is also induced at the primary winding 44 . As described, this prevents the main transformer 42 from significantly reducing its magnetization, which would lead to high switch-on currents when driving back into a live contact wire section 18 . This can also be used to dampen resonances.
  • At least one of the traction motors 56 is operated as a generator to supply energy to the first converter 50 from the DC link 51 and converts the traction energy of the rolling rail vehicle 10 into electrical energy (support braking operation).
  • the associated motor converter 54 is then operated as a rectifier.
  • the exemplary embodiment preferably provides for the secondary-side AC voltage to be generated in such a way that the primary-side voltage of the main transformer 42 is synchronized with the phase angle of the voltage in the roadway section 18 ahead.
  • the control device 21 can receive signals from the phase detection device 31 relating to a detected upcoming phase position and control the first power converter 50 accordingly. This synchronization can be used to prevent high compensating currents when driving into the contact wire section 18 ahead.
  • stored information about the phase angles in individual roadway sections 18 can be read out of the storage device 34, for example, and the control device 32 can control the first power converter 50 accordingly based on this.
  • the control device 32 can identify a location, for example using GPS signals or using position markers, such as can be automatically recognized by ATC systems.
  • GPS and Doppler radar signals and any synchronizations between them by means of vehicle-mounted (GSM) antennas are known in the prior art (see, for example, Level 2 and 3 of the ETCS (European Train Control System) standard). then the current one and/or the one ahead Catenary wire section 18 can be identified and stored or retrievable information about the phase position can be determined for this contact wire section 18 .
  • GSM vehicle-mounted
  • control device 32 and the memory device 34 are also entered again.
  • exemplary communication connections are shown in dashed lines, which could also be provided via a vehicle bus.
  • the control device 32 can be set up to output control signals to each of the converters 50, 52, 54 mentioned and optionally also to the main switch 38 via the communication links in order to operate these components in the manner described herein.
  • the control device 32 can also receive measurement signals via the high-voltage converter 40 but also via the detection device 31 .
  • a further alternative, in which an upcoming phase position is merely assumed, on the assumption that this differs from the phase position that has just been passed through, is explained in the general part of the description.
  • the further converter 52 is also not blocked, but is operated as a rectifier and is fed by the main transformer 42 .
  • this further converter 52 converts a secondary voltage applied to the associated secondary winding 46 and thus feeds the DC voltage link 51.
  • the auxiliaries 58 can then continue to be operated via this, although the phase separation point 22 does not provide sufficient energy from the power supply 15 .
  • the auxiliaries 58 are supplied by means of an energy flow which runs via the first converter 50, the main transformer 42 and the further converter 52.
  • the main transformer 42 is further stabilized and, in particular, resonances of the magnetic field that could occur as a result of the change in the voltage 44 on the primary side are particularly effectively damped.
  • traction motors 56 it would also be possible to motor one of the traction motors 56 to increase the electrical load that the main transformer 42 must support. This is particularly relevant if the electrical load in the form of the auxiliaries 58 is below a desired minimum load. This can be checked by the control device 32 of the rail vehicle 10 and activated if necessary.
  • the top diagram shows that the current collector 20 of the rail vehicle 10 reaches a phase separation point 22 at a point in time T1 and from then on the energy consumption from the power supply 15 is interrupted.
  • the speed then begins to decrease, since the traction power is automatically reduced by driver-autonomous ATC control.
  • the end of the phase separation point 22 is reached and the traction power is then started again (likewise preferably via driver-autonomous ATC control).
  • the rail vehicle 10 again reaches the original speed in front of the phase separation point 22 at time T3.
  • a status detection which enables moving in and out of a phase separation point 22 , can take place by means of the detection device 31 or by voltage measurements with the high-voltage converter 40 figure 1 . These components can transmit corresponding signals to the control device 32, which then initiates the measures described.
  • the controller 32 of the rail vehicle 10 can perform and/or provide any ATC functions described herein.
  • the solution according to the invention offers significant advantages in terms of driving dynamics, since the time period (T1-T3) without generation of traction energy is significantly shorter than in the prior art (T0-T5). As a consequence, a minimum speed (at T2) is also lower than in the prior art (at T4) and the original speed is reached again earlier (see T3 compared to T5).
  • curves of the traction power T generated by the rail vehicle 10 are shown with reference to the same points in time T0-T4.
  • the traction power T begins to decrease in the continuous curve according to the invention, preferably only in stages or gradually, to avoid sudden slowdowns and the occurrence of overvoltages to limit. This is continued or maintained until the end of the phase separation point 22 is reached at time T2. From this point in time T2, due to the suitably set phase angle on the primary side, the traction power T begins to increase again immediately.
  • the traction power T can be reduced to zero or a significantly reduced value, whereby in 3 a distance to the lower axis is maintained below only for reasons of representation.
  • the main switch 38 is again opened before the phase separation point 22 is reached at the point in time T0, and the traction power T is therefore started to be reduced early. Only at time T4 is the traction power increased again, this time T4 being well behind time T2 when the end of phase separation point 22 is reached. The reason for this is a time delay, since the renewed application of a voltage must be detected, the open main switch 38 must then first be closed again and the previously blocked converters 50, 52 can only then be switched on again.
  • FIG 4 a flowchart of a method according to the invention with reference to Figures 1 to 3 explained.
  • the sequence of steps described does not define a mandatory chronological order, unless otherwise stated or apparent.
  • a step S1 reaching a phase separation point 22 is detected, for example autonomously by the driver by the control device 32 in cooperation with the detection device 31 and/or by measuring the applied voltage with the high-voltage converter 40.
  • Step S2 the main switch 38 is kept closed. This can include the control device 32 suppressing a corresponding opening signal output by other control devices or that, in principle, no corresponding opening signal is generated. Step S2 is therefore not necessarily linked to an action actually carried out.
  • the first power converter 50 is then operated as an inverter (for example under control by the control device 32) and is fed from the DC voltage intermediate circuit 51.
  • the AC voltage generated is present on the secondary side at the main transformer 42 and results in a voltage on the primary side.
  • the AC voltage is generated in such a way that a phase position of the resulting voltage on the primary side is synchronized as far as possible with a known, presumed and/or detected phase position of the contact wire section 18 ahead.
  • the high-voltage converter 40 which can still be used for measuring the primary-side voltage due to the main switch 38 being kept closed, to measure the voltage generated on the primary side and the operation of the first power converter 50 or that thereof suitably adjust the generated AC voltage. In this way, for example, the desired phase position of the primary voltage can be ensured.
  • step S4 which can also be carried out before or at the same time as step S3, an electrical load is then applied to the main transformer 42 with the further converter 52 in the manner described above.
  • a step S5 leaving the phase separation point 22 is registered (for example again by means of the detection device 31 or the high-voltage converter 40).
  • the first power converter 50 is then operated again as a rectifier and the traction power T of the rail vehicle 10 is preferably increased autonomously by the driver.
  • step S5 Due to the maintained magnetization of the main transformer 42, no significant inrush currents occur in step S5.
  • the synchronization of the phase position of the primary voltage with the phase position after the phase separation point 22 prevents high compensating currents.
  • the main switch 38 by keeping the main switch 38 closed, losses of time which would be associated with opening and closing again are avoided.
  • the main switch 38 is also less stressed by the lack of opening and closing processes and experiences less wear.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Schienenfahrzeugs beim Passieren von Trennstellen in einer fahrzeugexternen Stromversorgung und ein Schienenfahrzeug.
  • Das Versorgen von Schienenfahrzeugen mit elektrischer Energie mittels einer fahrzeugexternen Stromversorgung ist bekannt. Die Stromversorgung kann zum Beispiel eine Stromschiene oder eine Oberleitungsanlage umfassen, an der ein stromführender Fahrdraht montiert ist. Die Schienenfahrzeuge können in ebenfalls bekannter Weise geeignete Stromabnehmer umfassen, zum Beispiel mit einem Pantografen oder einem seitlich montierten Stromschienen-Gegenstücke.
  • Oftmals erfolgt die Stromversorgung in Form von einphasigem Wechselstrom. Um ein Versorgungsstromnetz (zum Beispiel ein sogenanntes Landesnetz oder allgemein ein öffentliches Stromnetz) möglichst gleichmäßig zu belasten und insbesondere Schieflasten zu vermeiden, ist es bekannt, unterschiedliche Phasen des Versorgungstromnetzes bzw. eines hiervon geführten Wechselstroms an unterschiedliche Abschnitte der fahrzeugexternen Stromversorgung anzuschließen. Anders ausgedrückt können aufeinanderfolgende Abschnitte der Stromversorgung jeweils Wechselstrom mit voneinander unterschiedlichen Phasen führen oder, mit anderen Worten, aus unterschiedlichen Phasen eines typischerweise dreiphasigen Versorgungsstromnetzes gespeist werden. Hierfür werden die Abschnitte von sogenannten Unterwerken an das Versorgungsstromnetz angeschlossen und hieraus mit Strom einer gewünschten Phase versorgt.
  • Eine typische an der Stromversorgung anliegende Spannung beträgt 25 kV und die Frequenz eines hiervon geführten Wechselstroms beträgt zum Beispiel 50 Hz oder 60 Hz. In Deutschland sind eine Spannung von 15 kV und eine Stromfrequenz von 16,7 Hz verbreitet.
  • Die Abschnitte der Stromversorgung werden über sogenannte Phasen-Trennstellen elektrisch voneinander getrennt. Eine typische Phasen-Trennstelle zeichnet sich durch das Isolieren einer ersten angrenzenden Stromführungseinrichtung (beispielsweise in Form einer Oberleitung oder Stromschiene) mit einem sogenannten Streckentrenner aus. Anschließend kann ein Oberleitungs- oder Stromschienenabschnitt innerhalb der Trennstelle folgen, der nicht mit einer Spannung versorgt wird und gegebenenfalls sogar geerdet sein kann. Aus diesem Abschnitt kann keine elektrische Energie für einen Antrieb des Schienenfahrzeugs entnommen werden. Es folgt dann wiederum eine Stromführungseinrichtung, die jedoch bevorzugt Strom einer anderen Phase führt und hierfür bevorzugt auch von einem anderen Unterwerk gespeist wird, als die vorangehende Stromführungseinrichtung. Auch eine Speisung aus einem anderen Strompfad desselben Unterwerks ist möglich.
  • Zusammengefasst kann eine Trennstelle und insbesondere eine Phasen-Trennstelle einen neutralen Abschnitt innerhalb der Stromversorgung definieren, in dem zumindest im Regelfall keine Energieentnahme für ein Antreiben des Schienenfahrzeugs möglich ist.
  • Es ist aber auch möglich, in Störfällen oder bei einem Sonderbetrieb Trennstellen zumindest vorrübergehend dennoch zu bestromen. Auch ein dynamisches bzw. bedarfsweises Einspeisen von Strom in die Trennstelle während der Durchfahrt eines Schienenfahrzeugs ist möglich. Im Rahmen dieser Erfindung kann jedoch vorgesehen sein, derartige Sonderbetriebe bzw. hierfür ausgelegte Trennstellen nicht zu berücksichtigen und/oder sich auf Trennstellen und insbesondere Phasen-Trennstellen zu fokussieren, die einen neutralen Abschnitt der obigen Art definieren. Sind innerhalb der Stromversorgung auch zumindest selektiv bestrombare Trennstellen vorgesehen, kann jedoch bei diesen Trennstellen gemäß jeglicher der hierin geschilderten Varianten analog zu Trennstellen mit rein neutralen Abschnitten verfahren werden
  • Die Anmeldung richtet sich besonders auf das Passieren von Phasen-Trennstellen, ist jedoch nicht hierauf beschränkt. So sind auch Trennstellen bekannt, um einen Übergang zwischen unterschiedlichen Spannungs- oder Stromsystemen zu ermöglichen (sog. Systemtrennstellen).
  • Bisher durchfahren elektrische (d. h. mit elektrischer Energie angetriebene) Schienenfahrzeuge Trennstellen und insbesondere Phasen-Trennstellen mit deaktiviertem Antriebssystem. Ein Stromabnehmer kann zwar in elektrisch leitendem Kontakt mit der Stromversorgung bleiben, es wird aber typischerweise ein sogenannter Hauptschalter deaktiviert und genauer gesagt geöffnet, der diesen Stromabnehmer mit einem Haupttransformator verbindet. Das Öffnen des Hauptschalters ist gleichbedeutend mit einer zumindest teilweisen Deaktivierung des Antriebssystems, da aufgrund der elektrischen Trennung vom Stromabnehmer keine Wandlung einer aufgenommenen elektrischen Energie in Traktionsenergie für das Schienenfahrzeug mehr möglich ist, optional aber weiterhin die Möglichkeit für ein Bremsen unter Mitwirkung von Komponenten des Antriebssystems möglich ist. Zum Beispiel kann ein elektrisches Bremsen mit einem Traktionsmotor durchgeführt werden, der im Generatorbetrieb betrieben wird. Dabei gewonnene elektrische Energie kann beispielsweise dissipiert oder gespeichert werden.
  • Der Haupttransformator dient in an sich bekannter Weise dazu, die am Stromabnehmer bzw. an einer Primärseite des Haupttransformators anliegende Wechselspannung auf ein gewünschtes Wechselspannungsniveau zu transformieren und typischerweise zu senken. Anschließend kann mittels sogenannter Netzstromrichter die transformierte Wechselspannung in eine Gleichspannung gewandelt werden, die typischerweise an einem Gleichspannungs-Zwischenkreis anliegt. Dieser versorgt verschiedene Verbraucher (zum Beispiel sogenannte Hilfsbetriebe) und/oder die Traktionsmotoren des Schienenfahrzeugs, wofür die Gleichspannung typischerweise wieder von einem Motorstromrichter in eine geeignete Wechselspannung gewandelt wird. Auch die Netzstromrichter werden bei einem Durchfahren einer Trennstelle typischerweise deaktiviert oder gesperrt, um ein instabiles Magnetisieren des Haupttransformators (zum Beispiel ohne stabilisierende Primärspannung) zu vermeiden.
  • Eine mögliche Schrittfolge beim Durchfahren einer Trennstelle und insbesondere einer Phasen-Trennstelle lautet wie folgt:
    • Anzeigen einer vorausliegenden Phasen-Trennstelle mittels eines Lichtsignals, woraufhin ein Fahrer die folgende Abfolge zumindest teilweise manuell durchführt; oder Erkennen einer vorausliegenden Phasen-Trennstelle mittels eines (bevorzugt fahrerautonomen) Schienenfahrzeug-Steuersystems, beispielsweise mittels eines sogenannten ATC-Systems (Automatic Train Control), woraufhin die folgende Abfolge zumindest teilweise automatisch durchgeführt wird;
    • Herunterfahren der Traktionsleistung;
    • Sperren des/der Netzstromrichter;
    • Speisung eines Bordnetzes und/oder Gleichspannungs-Zwischenkreises des Schienenfahrzeugs aus einer anderen Quelle als die externe Stromversorgung. Beispielsweise kann wenigstens ein Traktionsmotor (insbesondere ein Permanentmagnetmotor) des fahrenden Schienenfahrzeugs in einen generatorischen Betriebszustand geschaltet werden, um elektrische Energie zu erzeugen, was auch als Stützbremsbetrieb bezeichnet werden kann. Alternativ kann das Bordnetz bzw. der Gleichspannung-Zwischenkreis elektrisch abgeschaltet werden, wenn diese über eine separate (Hilfsbetriebe-) Wicklung von dem Haupttransformator versorgt werden bzw. hiermit verbunden sind.
    • Öffnen des Hauptschalters und Passieren der Trennstelle;
    • bei fahrerautonomer Steuerung: Erkennen einer anliegenden Spannung am Stromabnehmer nach Durchfahren der Trennstelle;
    • Schließen des Hauptschalters;
    • Antakten des/der Netzstromrichter, insbesondere um einen Gleichspannungs-Zwischenkreis gleichmäßig bzw. langsam wieder aufzuladen;
    • Hochfahren der Traktionsleistung.
  • Diese Abfolge ist in mehrfacher Hinsicht nachteilig. Zum einen können Phasen-Trennstellen nicht rechtzeitig erkannt werden, insbesondere wenn dies durch den Fahrzeugführer erfolgen soll. Dies kann in einem Durchfahren der Trennstelle bei geschlossenem Hauptschalter und ohne leichte Rücknahme der Traktionsleistung resultieren, was zu einem Lichtbogen beim Erreichen der Trennstellen führen kann. Dies kann Schäden an der Stromversorgung und insbesondere an einem dortigen Streckentrenner und/oder an dem Fahrzeug verursachen. Defekte Streckentrenner tauchen überproportional häufig in Schadensstatistiken von Schienenfahrzeug-Infrastrukturen auf.
  • Das häufige Öffnen und Schließen des Hauptschalters führt zudem zu einem frühen Verschleiß dieses Bauteils, was Kosten verursacht.
  • Ferner führt ein Schließen des Hauptschalters nach dem Passieren der Phasen-Trennstelle und das erneute Verbinden des Haupttransformators mit der Spannung der Stromversorgung zu hohen Einschaltströmen. Dies bedingt hohe Belastungen des Haupttransformators sowie damit verbundener elektrischer Komponenten und erfordert allgemein eine entsprechend robuste und kostspielige Auslegung der Bauteile, die durch etwaige Einschaltströme (engl.: Inrush-Currents) beeinflusst werden.
  • Weiter führt das bisherige Vorgehen zu einem erheblichen Verlust an Fahrdynamik, da das Schienenfahrzeug über einen langen Zeitraum nur passiv (d. h. nicht angetrieben) weiterrollt. Insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsstrecken, bei denen zum Beispiel alle 15 bis 20 km Phasen-Trennstellen mit Längen von mehreren 100 m vorliegen können, kann dies zu erheblichen Einbußen der Fahrdynamik führen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die vorstehenden Schritte deutlich mehr Zeit benötigen, als für ein Durchfahren der Trennstelle eigentlich erforderlich ist. Dies resultiert aus dem Zeitbedarf für die durchgeführten Schaltvorgänge und die Ansteuerung der einzelnen Komponenten. Wie nachstehend anhand der Diagramme aus Figur 3 erläutert, muss in diesem Fall nämlich die Traktionsleistung bereits deutlich vor dem Einfahren in eine Trennstelle zurückgefahren werden und kann die Traktionsleistung erst nach einem Ausfahren aus der Trennstelle wieder zu ihrem ursprünglichen Wert zurückkehren. In der Folge treten deutliche Geschwindigkeitsverluste auf.
  • Ferner kann der Passagierkomfort leiden, wenn das Bordnetz bzw. etwaige Hilfsbetriebe, wie z.B. eine Fahrzeugklimatisierung oder Innenraumbeleuchtung, vorübergehend ausgeschaltet werden müssen, wenn sie nicht mehr vom abgeschalteten Haupttransformators gespeist werden können. Dies betrifft insbesondere Varianten, bei denen das Bordnetz und/oder die Hilfsbetriebe über eine eigene Sekundärwicklung mit dem Haupttransformator verbunden sind zum Beispiel nicht über einen Gleichspannungs-Zwischenkreis.
  • Aus der US 2012/000739 A1 ist ein Schienenfahrzeug mit einem in Kontakt mit einem Fahrdraht stehenden Stromabnehmer bekannt. Um unerwünschte Einschaltströme in einem Haupttransformator zu vermeiden, kann eine Spannung des Haupttransformators an diejenige des Fahrdrahts angeglichen werden und kann erst anschließend der Stromabnehmer den Kontakt zum Fahrdraht herstellen. Dies kann auch beim Passieren von Trennstellen oder allgemein dem Einfahren in Stromversorgungsabschnitte mit abweichenden Spannungen erfolgen.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, zumindest einige der vorstehenden Nachteile zu vermeiden.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und ein Schienenfahrzeug mit den Merkmalen der beigefügten unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Weiter versteht es sich, dass sämtliche der einleitenden Bemerkungen und Merkmale auch bei der vorliegenden Lösung vorgesehen sein bzw. auf diese zutreffen können, sofern nicht anders angegeben oder ersichtlich.
  • Die Erfindung sieht allgemein vor, den Haupttransformator beim Passieren (d. h. Durchfahren) einer Phasen-Trennstelle nicht vollständig abzuschalten, d. h. nicht vollständig von einer Spannungsversorgung zu trennen. Stattdessen wird vorgeschlagen, an eine Sekundärseite des Haupttransformators eine Wechselspannung anzulegen, dadurch gekennzeichnet, dass während des Passierens der Phasen-Trennstelle ein weiterer Stromrichter als Gleichrichter betrieben und von dem Haupttransformator mit elektrischer Energie gespeist wird. Dies hat zur Folge, dass der Haupttransformator zumindest teilweise magnetisiert bleibt, d. h. dort ein Magnetfeld zumindest teilweise aufrechterhalten werden kann, obwohl im Bereich der Trennstelle primärseitig keine oder zumindest nicht die übliche Spannung der fahrzeugexternen Stromversorgung anliegt.
  • Vorteilhaft ist dies zunächst dahingehend, als dass Einschaltströme beim Wiederverbinden des Haupttransformators mit der Spannung der Stromversorgung nach dem Durchfahren der Trennstelle begrenzt werden können.
  • Weiter wird hierdurch die Möglichkeit geschaffen, eine Phasenlage an der Primärseite geeignet zu beeinflussen und insbesondere mit einer erwarteten oder gemessenen Phasenlage des nachfolgenden spannungsführenden Abschnitts der Stromversorgung zu synchronisieren. Je weiter das Ausmaß der Synchronisierung, desto geringer fallen Ausgleichsströme aus, wenn an dem Haupttransformator nach Durchfahren der Trennstelle primärseitig wieder die Spannung der Stromversorgung anliegt.
  • Durch Verringern von Ausgleichsströmen wird der Haupttransformator weniger belastet und wird die Gefahr von Schutzabschaltungen verhindert, welche wiederum die Fahrdynamik oder allgemein den gewünschten Fahrzeugbetrieb gefährden.
  • Allgemein kann vorgesehen sein, die Traktionsleistung zu reduzieren, sodass diese während des Passierens einer Trennstelle vorübergehend einen geringeren Wert einnimmt, als in darauffolgenden und/oder vormals durchfahrenen (gespeisten) Abschnitten der Stromversorgung. Das Reduzieren der Traktionsleistung kann in Vorbereitung auf eine vorausliegende Trennstelle bereits vorzeitig eingeleitet werden. Optional kann die Traktionsleistung aber erst nach dem Verlassen der Trennstelle wieder erhöht werden. Durch Reduzieren der Traktionsleistung, die allgemein auch auf einen Wert von Null reduziert werden kann, kann die Gefahr des Ausbildens von Lichtbögen beim Einfahren in eine Phasen-Trennstelle reduziert werden, insbesondere auch dann, wenn der Hauptschalter in einem geschlossenen Zustand verbleibt. Eine Höhe der Traktionsleistung kann z.B. über nachstehend erläuterte Motorstromrichter gesteuert werden.
  • Allgemein können jegliche hierin erwähnten Stromrichter getaktet betrieben werden und/oder nach Art einer Pulsweitenmodulation durch schnelle Schaltfolgen z.B. eine Einhüllende als (Grundwelle) einer Wechselspannung erzeugen.
  • Zudem wird durch die vorgeschlagene Lösung das Risiko von internen Resonanzen des Haupttransformators reduziert, die auftreten können, wenn es beim Durchfahren der Trennstelle zu einem primärseitigen Spannungsverlust kommt. Derartige Resonanzen können Beschädigungen des Transformators sowie elektrisch hiermit verbundener Komponenten bewirken. Besonders zuverlässig wird das Resonanzrisiko dann reduziert, wenn gemäß nachstehender Ausführungsformen dem Haupttransformator auch in definierter Weise Energie entnommen wird, d. h. eine dämpfende Belastung auf den Haupttransformator geschaltet wird. Erfindungsgemäß kann dies durch einen Stromrichter erfolgen, der als Gleichrichter betrieben wird und bevorzugt einen Gleichspannungs-Zwischenkreis des Schienenfahrzeugs mit Energie aus dem Haupttransformator speist. Insbesondere das Vermeiden der Einschaltströme und auch eine etwaige Synchronisation mit einer vorausliegenden Phasenlage führen zudem dazu, dass nach dem Durchfahren der Trennstelle deutlich schneller wieder eine Traktionsleistung erzeugt werden kann, als dies bisher der Fall ist. Somit wird die Fahrdynamik verbessert und wird die Dauer ohne Traktionsleistung und ein allgemein daraus resultierender Geschwindigkeitsverlust um bis zu zwei Drittel verringert. Dies wird zusätzlich durch Ausführungsformen verbessert, bei denen der Hauptschalter beim Durchfahren der Trennstelle geschlossen bleibt.
  • Im Detail wird ein Verfahren zum Betreiben eines Schienenfahrzeugs beim Passieren von Trennstellen in einer fahrzeugexternen Stromversorgung (die zum Beispiel eine Oberleitung oder eine feste Fahrleitung umfasst, zum Beispiel eine oberhalb des Schienenfahrzeugs montierte Stromschiene) mit den Merkmalen des beigefügten Anspruchs 1 vorgeschlagen, wobei das Schienenfahrzeug umfasst:
    • wenigstens einen Stromabnehmer zum Aufnehmen elektrischer Energie von (bzw. aus) der Stromversorgung; und
    • einen Haupttransformator zum Transformieren der aufgenommenen elektrischen Energie, die an einer Primärseite des Haupttransformators bereitgestellt ist, auf ein gewünschtes Spannungsniveau an einer Sekundärseite des Haupttransformators;
    • einen ersten Stromrichter, der wahlweise als Gleichrichter zum Gleichrichten einer von dem Haupttransformator transformierten Spannung für das Versorgen eines Gleichspannungs-Zwischenkreises des Schienenfahrzeugs betreibbar ist oder als Wechselrichter zur elektrischen Energieversorgung des Haupttransformators mit Energie aus dem Gleichspannungs-Zwischenkreis betreibbar ist; und
    • einen weiteren Stromrichter, der als Gleichrichter betreibbar und von dem Haupttransformator mit elektrischer Energie speisbar ist;
    wobei das Verfahren umfasst:
    • Anlegen einer Wechselspannung an der Sekundärseite des Haupttransformators durch den als Wechselrichter betriebenen ersten Stromrichter, während das Schienenfahrzeug eine Trennstelle der Stromversorgung passiert,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    während des Passierens der Trennstelle der weitere Stromrichter als Gleichrichter betrieben und von dem Haupttransformator mit elektrischer Energie gespeist wird.
  • Es kann also verfahrensgemäß vorgesehen sein, dass in einem ersten Betriebszustand außerhalb von Trennstellen über die spannungsführende Stromversorgung ein führendes Netz an dem Stromabnehmer das Schienenfahrzeug anliegt. Folglich kann elektrische Energie aufgenommen bzw. eingespeist werden, die mittels des Haupttransformators transformiert wird. In einem zweiten Betriebszustand beim Durchfahren einer Trennstelle kann hingegen kein führendes Netz anliegen und folglich auch keine externe Energieversorgung und Transformation erfolgen. Stattdessen kann in diesem Zustand das ausschließlich sekundärseitige Anlegen der Wechselspannung erfolgen.
  • Das Schienenfahrzeug kann mehrere Einzelfahrzeuge oder Zugteile umfassen, die prinzipiell voneinander entkoppelbar und unabhängig voneinander bewegbar sein können. Zum Beispiel kann das Schienenfahrzeug ein Zug aus und/oder ein Verbund von Einzelfahrzeugen sein. Die hierin offenbarten Komponenten des Schienenfahrzeugs können folglich auf mehrere Einzelfahrzeuge eines solchen Verbundes bzw. Zuges verteilt sein. Bevorzugt ist wenigstens eine Lokomotive und/oder ein Triebwagen von einem solchen Verbund umfasst. Ebenso kann das Schienenfahrzeug aber ein Einzelfahrzeug sein, zum Beispiel eine einzelne Lokomotive oder ein einzelner Triebwagen.
  • Bei den Trennstellen handelt es sich bevorzugt um Phasen-Trennstellen, die besonders weit verbreitet sind. Die Trennstellen können zumindest in einem störungsfreien Normalbetrieb spannungsfrei und/oder stromfrei sein und folglich neutrale Abschnitte der Stromversorgung bilden. Während dem Passieren einer Trennstelle kann (zumindest im störungsfreien Normalbetrieb) die Energieaufnahme aus dem Stromnetz unterbrochen oder um wenigstens mehr als die Hälfte reduziert sein.
  • Sofern hierin auf einem Betriebszustand Bezug genommen wird, in dem das Schienenfahrzeug eine Trennstelle passiert oder auch "während das Schienenfahrzeug die Trennstelle passiert" kann hierunter verstanden werden, dass wenigstens ein Abschnitt des Schienenfahrzeugs die Trennstelle passiert bzw. sich darunter befindet. Insbesondere kann ein Stromabnehmer und können bevorzugt sämtliche und/oder der einzige in Kontakt mit der Stromversorgung stehende Stromabnehmer die Trennstelle passieren. Andere Abschnitte und/oder Komponenten des Schienenfahrzeugs, wie zum Beispiel eine nachstehend erläuterte Detektionseinrichtung oder ein vorausfahrender Triebwagen, können sich hingegen bereits außerhalb der Trennstelle befinden.
  • Wie erwähnt, kann der Stromabnehmer einen Pantografen umfassen.
  • Bei dem Haupttransformator handelt es sich bevorzugt um einen Transformator, an dessen Primärseite in an sich bekannter Weise eine am Stromabnehmer anliegende und somit von der Stromversorgung geführte Spannung anlegbar ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn ein nachstehend erläuterter Hauptschalter zwischen Haupttransformator und Stromabnehmer geschlossen ist.
  • Weiter ist der Haupttransformator dazu eingerichtet, die von der Stromversorgung geführte Spannung in eine für den Betrieb des Schienenfahrzeugs geeignete Spannung umzuwandeln und insbesondere das Spannungsniveau zu reduzieren.
  • Unter der Primärseite des Haupttransformators wird hierin diejenige Seite verstanden, an der eine am Stromabnehmer anliegende bzw. von der Stromversorgung geführte Spannung anlegbar ist, da die Stromversorgung die Hauptenergiequelle des Haupttransformators bzw. des Schienenfahrzeugs ist. Unter der Sekundärseite des Haupttransformators wird hingegen diejenige Seite verstanden, an die Stromrichter zum Versorgen eines etwaigen Gleichspannung-Zwischenkreises, von Traktionsmotoren oder von sogenannten Hilfsbetrieben anschließbar sind. Je nach der betrachteten Seite kann von einer dort anliegenden Primärspannung oder Sekundärspannung gesprochen werden.
  • Dass das Schienenfahrzeug eine Trennstelle der Stromversorgung passiert, kann wiederum vom Fahrer zum Beispiel per Lichtsignal erkannt oder kann (zum Beispiel anhand einer detektierten Spannung) automatisch erkannt werden. Analog zu existierenden Lösungen kann dann vom Fahrer oder automatisch die Traktionsleistung reduziert werden. Anschließende Schritte, wie zum Beispiel das Anlegen der Wechselspannung oder auch sämtliche weitere hierin geschilderten Maßnahmen, können prinzipiell vom Fahrer oder fahrerautonom eingeleitet werden.
  • Das Anlegen einer Wechselspannung an der Sekundärseite des Haupttransformators erfolgt durch einen geeigneten Wechselspannungsgenerator. Hierbei handelt es sich, wie nachstehend noch näher erläutert, erfindungsgemäß um einen vorhandenen Stromrichter und insbesondere einen Netzstromrichter, der als ein Wechselrichter betrieben wird. Der Stromrichter wird bevorzugt aus elektrischen Energiequellen oder von elektrischen Energiegeneratoren des Schienenfahrzeugs mit elektrischer Energie gespeist und wandelt diese in eine Wechselspannung um, die an der Sekundärseite des Haupttransformators anliegt.
  • Durch Anlegen der Wechselspannung an der Sekundärseite wird ein Magnetfeld des Haupttransformators zumindest teilweise aufrechterhalten, was vorstehend diskutierte Vorteile z.B. des Vermeidens von Einschaltströmen mit sich bringt. Zudem wird auch eine Primärspannung an der Primärseite des Haupttransformators induziert, aber kein signifikanter primärseitiger Stromfluss. Genauer gesagt kann die zum Einstellen der gewünschten Magnetisierung benötigte sekundärseitige Leistung wegen der großen Hauptinduktivität nur wenige kVA betragen und kann im Wesentlichen Blindleistung sein.
  • Die sekundärseitige Wechselspannung ist bevorzugt derart gewählt (z.B. hinsichtlich Spannung, Phasenlage und/oder Amplitude), dass eine gewünschte Primärspannung erzeugt wird. Letztere entspricht bevorzugt (z.B. ebenfalls hinsichtlich Spannung, Phasenlage und/oder Amplitude) einer Stromversorgungs- und insbesondere einer Oberleitungsspannung, die beispielsweise in einem auf eine Trennstelle folgenden Stromversorgungsabschnitt vorliegt und auf Basis nachstehend erläuterter Detektionen oder gespeicherter oder abrufbarer Informationen bekannt sein kann. Ob eine solche Primärspannung erzielt wird, kann insbesondere während des Passierens der Trennstelle per nachfolgend erläuterter Spannungsmesseinrichtung überprüft werden.
  • Allgemein kann hierin auf Grundwellen einer Sekundär- und/oder Primärspannung abgestellt werden, insbesondere im Zusammenhang mit hierin geschilderten Einstell- und Sychronisiervorgängen dieser Spannungen. Genauer gesagt können bei der nachstehend erläuterten Synchronisation Grundwellen der erzeugten Spannungen betrachtet werden und insbesondere eine Grundwelle der infolge der sekundärseitig angelegten Wechselspannung generierten Primärspannung des Haupttransformators. Diese sollte mit der Grundwelle einer erwarteten Phasenlage der Stromversorgung möglichst übereinstimmen. Dies trägt dem Umstand Rechnung, dass die genannten Spannungen auch weitere Wellen- bzw. Schwingungsanteile z.B. in Form von Oberwellen aufweisen können.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens und des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs umfasst das Schienenfahrzeug ferner einen Hauptschalter, der dazu eingerichtet ist, bei einem Öffnen eine elektrische Verbindung zwischen dem Stromabnehmer und dem Haupttransformator zumindest temporär zu trennen (oder anders ausgedrückt zu unterbrechen), und wobei folgendes erfolgt:
    • Geschlossenhalten des Hauptschalters während eines Passierens einer Trennstelle.
  • Der Hauptschalter kann gemäß herkömmlicher Bauart ausgebildet sein. Er kann der einzige Schalter zum selektiven Trennen der elektrischen Verbindung von Stromabnehmer und Haupttransformators sein. Der Hauptschalter kann eine Steuereinrichtung umfassen oder von einer Steuereinrichtung des Schienenfahrzeugs ansteuerbar sein, um selektiv geöffnet und geschlossen zu werden.
  • Dadurch, dass der Hauptschalter trotz Passieren einer Trennstelle geschlossen gehalten und nicht wie bisher vorübergehend geöffnet wird, wird die Anzahl von dessen Öffnungs- und Schließvorgängen während einer Fahrt des Schienenfahrzeugs reduziert. Dies mindert den Verschleiß und erhöht die Lebensdauer des Hauptschalters.
  • Eine weitere Ausführungsform von Verfahren und Schienenfahrzeug sieht vor, dass eine an der Primärseite anliegende Spannung gemessen und darauf basierend die Wechselspannung an der Sekundärseite angepasst wird. Für das Messen kann eine in bekannten Schienenfahrzeugen bereits vorhandene Spannungsmesseinrichtung verwendet werden, insbesondere ein sogenannter Oberspannungswandler, der die am Stromabnehmer anliegende Spannung z.B. für eine Informationsverarbeitung und elektrische Sicherheit geeignet umformt. Die Spannungsmesseinrichtung kann zwischen dem Stromabnehmer und dem Hauptschalter positioniert sein. Dadurch, dass der Hauptschalter erfindungsgemäß bevorzugt geschlossen gehalten wird, kann der Oberspannungswandler auch während dem Passieren einer Trennstelle für Spannungsmessungen an der Haupttransformator-Primärseite verwendet werden. Dies mindert etwaige Umbau- oder Neuplanungskosten, insbesondere beim Umrüsten bestehender Schienenfahrzeuge zum Ausführen der erfindungsgemäßen Lösung.
  • Durch Messen der Spannung an der Primärseite (Primärspannung) können unerwünschte Betriebszustände rechtzeitig detektiert werden, wie zum Beispiel Spannungsspitzen oder Resonanzeffekte. Die Wechselspannung an der Sekundärseite kann dann geeignet angepasst (insbesondere reduziert) werden, zum Beispiel durch entsprechendes Ansteuern eines die Wechselspannung erzeugenden Stromrichters. Hierfür kann wenigstens eine Steuereinrichtung des Schienenfahrzeugs verwendet werden. Insgesamt wird hierdurch die Betriebssicherheit durch Vermeiden unerwünschter Betriebszustände erhöht.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform von Verfahren und Schienenfahrzeug wird die Wechselspannung derart erzeugt, dass eine Phasenlage der Spannung an der Primärseite gegenüber einer Phasenlage der Spannung an der Primärseite vor dem Passieren der Trennstelle verändert wird. Dem liegt der Gedanke zugrunde, dass sich insbesondere bei Phasen-Trennstellen der Stromversorgung die anliegenden Phasen vor der Trennstelle und nach der Trennstelle voneinander unterscheiden. Folglich wird auch die Wechselspannung bevorzugt derart erzeugt, dass sich die Phasenlage der Primärspannung gegenüber dem Zustand vor dem Einfahren in die Trennstelle verändert. Dies reduziert den Synchronisierungsaufwand mit der neuen Phasenlage bei einem Ausfahren aus der Trennstelle.
  • Während dem Durchfahren der Trennstelle kann die Veränderung der Phasenlage gleichmäßig und mit nur geringen Änderungsraten erfolgen. Bei einem Einfahren in einen folgenden spannungsführenden Stromversorgung-Abschnitt kann diese Veränderung hingegen größeren Änderungsraten unterliegen und insbesondere nach Maßgabe der schlagartig wieder anliegenden Primärspannung verändert werden.
  • Sämtliche hierin erwähnten Komponenten und insbesondere jegliche Stromrichter und/oder eine etwaige Detektionseinrichtung können über eine ausreichend übereinstimmende und insbesondere eine synchronisierte Zeitskala verfügen. Die Phasenlage kann in Bezug auf diese Zeitskala definiert sein. Beispielsweise kann diesen Komponenten ein gemeinsames Zeit-Signal (Clock-Signal) bereitgestellt werden, insbesondere über die hierin diskutierte Steuereinrichtung.
  • Die Ausnahme einer ausreichenden zeitlichen Synchronisierung kann insbesondere für lange Trennstellen mit einer Länge von mehr als 200 m oder mehr als 400 m gelten. Kurze Trennstellen mit einer Länge von weniger als 200 m oder auch weniger als 100 m können aufgrund eines nur kurzen zur Verfügung stehenden Synchronisierungs-Zeitfensters im Vergleich höhere Anforderungen an Übereinstimmungen von Zeitinformationen bzw. einer gemeinsamen Zeitskala stellen, beispielsweise da aus einer mangelnden Übereinstimmung resultierende Abweichungen unter Umständen nicht mehr rechtzeitig ausgeregelt werden können.
  • Der Zusammenhang zwischen Sekundärspannung und Primärspannung sowie insbesondere den Phasenlagen dieser Spannungen und somit auch, mit welchen Phasenlagen an der Primärseite welche Phasenlagen an der Sekundärseite eingestellt werden können (und umgekehrt), ergibt sich aus der Konstruktion des Haupttransformators und/oder kann vorab experimentell ermittelt werden. Informationen betreffend diesen Zusammenhang können in einer Speichereinrichtung des Schienenfahrzeugs hinterlegt werden. Eine Steuereinrichtung des Schienenfahrzeugs kann dann auf diese Informationen zurückgreifen, wie optional auch auf Informationen zu einer neuen erwarteten Phasenlage, und kann dann die Wechselspannung an der Sekundärseite geeignet einstellen.
  • Die erwartete Phasenlage kann zusätzlich oder alternativ zum Hinterlegen in einer Speichereinrichtung (z.B. gemeinsam mit einem Orts- oder Stromversorgungsabschnitts-Identifizierer) automatisch ermittelt werden, bspw. zumindest teilweise anhand von Informationen, die von einem ATC-System übermittelt werden. Letzteres kann (zum Beispiel über bekannte Balisen) Informationen betreffend einen Ort des Schienenfahrzeugs und auch etwaiger Trennstelle übermitteln. Welche Phasen jedoch in einzelnen Strom-Versorgungsabschnitten vorliegen, kann hingegen nicht zwingend von bekannten ATC-System übertragen werden, sondern zum Beispiel in einer Speicherrichtung des Schienenfahrzeugs hinterlegt sein, welches dann anhand des erkannten Ortes auf die dazugehörigen Phasen-Informationen zugreift. Allgemein sind die Phasenlagen aufeinanderfolgender Stromversorgungsabschnitte durch Verschaltungen der diese Abschnitte speisenden Unterwerke vorgegeben und zum Beispiel in Infrastruktur-Tabellen der Bahnnetzbetreiber hinterlegt.
  • Gemäß einer Ausführungsform von Verfahren und Schienenfahrzeug kann die Phasenlange auch sensorisch erfasst werden, wofür eine Detektionseinrichtung verwendet werden kann. Die Detektionseinrichtung kann ein Detektionssignal liefern (zum Beispiel über eine darin integrierte Messeinheit), das von einer Auswerteeinrichtung der Detektionseinrichtung zum Bestimmen der Phasenlage ausgewertet werden kann. Die Auswerteeinrichtung kann in eine Steuereinrichtung des Schienenfahrzeugs integriert sein und/oder räumlich von der Messeinheit beabstandet sein. Sofern hierin auf Positionierungen der Detektionseinrichtung abgestellt wird, kann dies ausschließlich eine etwaige Messeinheit betreffen. Ein Beispiel einer geeigneten Detektionseinrichtung findet sich in der EP 3 182 142 A , insbesondere in Form der Vorrichtung 1 aus der dortigen Figur 1. Die dortigen Sensorelemente bzw. kapazitiven Einheiten sind in der Lage, in Reaktion auf in einer Stromversorgung anliegenden Spannung selbst Spannungen zu erzeugen. Der zeitliche Verlauf dieser erzeugten Spannungen folgt denjenigen der Stromversorgung, sodass daraus auch die Phasenlage der Stromversorgung bestimmbar ist. Beispielsweise wirken die kapazitiven Einheiten als eine Art kapazitiver Spannungsteiler, wobei die darin abfallende Spannung in ihrem Verlauf derjenigen der Stromversorgung folgt, was Rückschlüsse auf die Phasenlage ermöglicht. Die Detektionseinrichtung kann berührungslos arbeiten und/oder berührungslos die relevanten Informationen detektieren. Genauer gesagt kann sie die Stromversorgung während der Detektion nicht berühren.
  • Alternativ zu einer kapazitiv und/oder nach Art eines Spannungsteilers arbeitenden Detektionseinrichtung kommt auch ein Feldsensor (oder auch Feldmühle) als Detektionseinrichtung (oder zumindest als Messeinheit hiervon) in Betracht.
  • Die Phasenlage nach der Trennstelle kann optional also auch detektiert bzw. gemessen werden. Die Detektionseinrichtung (und insbesondere zumindest eine etwaige Messeinheit hiervon) ist dabei in Fahrtrichtung betrachtet bevorzugt vor dem Stromabnehmer positioniert, um die vorausliegende Phasenlage zu ermitteln, bevor der Stromabnehmer in den Stromversorgungs-Abschnitt (Fahrdrahtabschnitt) mit dieser Phasenlage einfährt. Beispielsweise können die Detektionseinrichtung und der Stromabnehmer in unterschiedlichen Fahrzeughälften positioniert und/oder, an verschiedenen Einzelfahrzeugen oder Wagen angeordnet sein und insbesondere um mehrere Einzelfahrzeuge bzw. Wagen voneinander beabstandet sein.
  • Die Phasenlage der Primärspannung wird bevorzugt zumindest soweit mit der (erwarteten oder gemessenen) Phasenlage nach der Trennstelle synchronisiert, dass etwaige Ausgleichsströme einen zulässigen Maximalwert nicht überschreiten. Der zulässige Maximalwert kann eine Grenze definieren, ab deren Überschreiten mit einem erhöhten Risiko von Schutzabschaltungen zu rechnen ist.
  • Insbesondere kann vorgesehen sein, dass infolge der Synchronisation die geänderte Phasenlage (der Haupttransformators-Primärspannung) einer (zum Beispiel erwarteten oder gemessenen) Phasenlage der Stromversorgung nach der Trennstelle entspricht oder eine Phasendifferenz zu dieser Phasenlage, die nach der Trennstelle vorliegt, eine zulässige Maximaldifferenz nicht überschreitet. Die zulässige Maximaldifferenz kann derart gewählt sein, dass bis zum Erreichen dieser Maximaldifferenz keine unzulässig hohen Ausgleichsströme auftreten und insbesondere keine Ausgleichsströme, die den vorstehend erläuterten zulässigen Maximalwert überschreiten.
  • Wie die Wechselspannung an der Sekundärseite gewählt werden muss, damit eine Synchronisation gelingt, die die hierin geschilderten Bedingungen hinsichtlich Ausgleichsstrom und/oder Phasendifferenz erfüllt, kann per Simulation oder Testfahrten bestimmt werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Variante des Verfahrens und des Schienenfahrzeugs liegt eine ausreichende Synchronisation bei einer Phasendifferenz von nicht mehr als 135° und insbesondere nicht mehr als 120° der Phasenlagen vor, d. h. bei derartigen Phasendifferenzen treten erwartungsgemäß keine unzulässig hohen Ausgleichsströme auf.
  • Allgemein können bei der Synchronisation Grundwellen der erzeugten Spannungen betrachtet werden und insbesondere eine Grundwelle der infolge der sekundärseitig angelegten Wechselspannung generierten Primärspannung des Haupttransformators. Diese sollte mit der Grundwelle einer erwarteten Phasenlage möglichst übereinstimmen.
  • Weiter hat sich gezeigt, dass dann, wenn in der nachstehend erläuterten Weise zusätzlich eine elektrische Last an den Haupttransformator angeschlossen wird (zum Beispiel in Form eines weiteren Stromrichters im Gleichrichterbetrieb), auch größere Phasendifferenzen in Kauf genommen werden können, als wenn eine solche Last nicht vorhanden ist. Die Anforderungen an die Synchronisation können also bei Zuschalten einer solchen Last geringer ausfallen bzw. es kann eine größere Phasendifferenz akzeptiert werden.
  • Gemäß einer Variante des Verfahrens und des Schienenfahrzeugs ist es auch möglich, dass bei bekannten Phasendifferenzen zwischen den einzelnen Phasen bzw. Strömen eines Versorgungsstromnetzes und/oder der Stromversorgung eine Vermutung getroffen wird, welche Phasenlage als nächstes erwartet wird. Es ist beispielsweise bekannt, dass in einem Versorgungsstromnetz die Phasendifferenz zwischen den drei Phasen jeweils 120° beträgt, benachbarte Speiseabschnitte durch entsprechendes Betreiben der Unterwerke jedoch auch andere Phasendifferenzen von zum Beispiel 60°, 90°, 180°, aber prinzipiell ebenfalls 120°aufweisen können. In der Regel kann mit hinreichender Sicherheit davon ausgegangen werden, dass sich die Phasen benachbarter gespeister Streckenabschnitte der Stromversorgung stets voneinander unterscheiden, kann beim Erreichen einer Trennstelle (zum Beispiel von einer Steuereinrichtung des Schienenfahrzeugs) die Annahme getroffen werden, dass sich die vorausliegende Phasenlage um mindestens + 60° oder mindestens - 60° von der vorangehenden Phasenlage unterscheidet. Im Fehlerfall ist allerdings auch ein Unterschied der Phasenlagen von 0° möglich. Die sekundärseitige Wechselspannung kann dann entsprechend gewählt werden, um eine primärseitige Spannung mit dieser vermuteten Phasenlage einzustellen.
  • Sollte eine falsche Wahl getroffen sein, kann die maximale Phasendifferenz von z.B. 120° beim Einfahren in den nächsten spannungsführenden Abschnitt der Stromversorgung ggf. dennoch keine unzulässig hohen Ausgleichsströme hervorrufen. Dies gilt insbesondere dann, wenn zusätzlich die bereits erwähnte Last an den Haupttransformator angelegt wird, welche derartige Ausgleichsströme dämpft.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt des Verfahrens und des Schienenfahrzeugs umfasst das Schienenfahrzeug ferner einen ersten Stromrichter. Dieser ist bevorzugt wahlweise als Gleichrichter zum Gleichrichten einer von dem Haupttransformator transformierten Spannung für das Versorgen eines Gleichspannungs-Zwischenkreises des Schienenfahrzeugs betreibbar ist oder als Wechselrichter zur elektrischen Energieversorgung des Haupttransformators mit Energie aus dem Gleichspannungs-Zwischenkreis. Bei diesem Aspekt umfasst das Verfahren erfindungsgemäß folgendes:
    • Betreiben des ersten Stromrichters als Wechselrichter zum Erzeugen der Wechselspannung, während das Schienenfahrzeug eine Trennstelle der Stromversorgung passiert.
  • Der obige Stromrichter wird hierin lediglich beispielhaft als "erster" Stromrichter bezeichnet, um ihn von einem nachstehend erläuterten erfindungsgemäßen "weiteren" Stromrichter zu unterscheiden. Der erste und der weitere Stromrichter können prinzipiell gleichartig ausgebildet sein, sind jedoch bevorzugt an verschiedene und insbesondere an individuell zugeordnete Sekundärwicklungen (oder anders ausgedrückt Sekundärspulen) des Haupttransformators angeschlossen.
  • Der erste Stromrichter kann ein sogenannter Netzstromrichter sein. Dieser zeichnet sich dadurch aus, dass er eine Sekundärspannung des Haupttransformators gleichrichtet, um einen Gleichspannungs-Zwischenkreis zu speisen. In an sich bekannter Weise und wie in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Schienenfahrzeug noch näher erläutert, kann der Gleichspannungs-Zwischenkreis allgemein wenigstens einen Hilfsbetrieb und/oder ein Bordnetz und/oder wenigstens ein Motorstromrichter und/oder (zumindest mittelbar) wenigstens einen Traktionsmotor des Schienenfahrzeugs mit elektrischer Energie speisen.
  • Der Stromrichter kann in an sich bekannter Weise Halbleiterschaltelemente umfassen, die zum Betreiben als Wechselrichter oder Gleichrichter geeignet angesteuert bzw. geschaltet werden können.
  • Zum Versorgen des ersten Stromrichters mit elektrischer Energie kann auf verschiedene elektrische Energiequellen des Schienenfahrzeugs zurückgegriffen werden. Beispielsweise kann ein aufladbarer elektrischer Energiespeicher in Form einer Batterie bereitgestellt sein.
  • Zusätzlich oder alternativ kann ein Traktionsmotor des fahrenden Schienenfahrzeugs als Generator betrieben werden (Stützbremsbetrieb). Die dabei erzeugte elektrische Energie kann von dem ersten Stromrichter verwendet werden, um eine Wechselspannung zu erzeugen und an die Sekundärseite des Haupttransformators anzulegen. Insbesondere kann also vorgesehen sein, während eines Passierens einer Trennstelle ein Stützbremsbetrieb zu aktivieren, um dem Gleichspannungs-Zwischenkreis Energie zuzuführen. Dieser kann dann den ersten Stromrichter speisen.
  • Mittels jeglicher der vorstehend genannten Energiequellen kann auch vorgesehen sein, ein Bordnetz und/oder Hilfsbetriebe der hierin geschilderten Art zu betreiben und auch beim Durchfahren einer Trennstelle weiter mit elektrischer Energie zu versorgen. Dies verbessert den Passagierkomfort, da auch beim Durchfahren einer Trennstelle Hilfsbetriebe, wie zum Beispiel eine Fahrzeugklimatisierung, eine Innenraumbeleuchtung aber auch ein Traktionsmotor-Lüfter, unterbrechungsfrei weiterbetrieben werden können.
  • Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, dass während eines Passierens einer Trennstelle ein weiterer Stromrichter als Gleichrichter betrieben und von dem Haupttransformator mit elektrischer Energie versorgt wird. Dieser Stromrichter ist bevorzugt ebenfalls ein Netzstromrichter der vorstehend erläuterten Art. Der weitere Stromrichter kann über eine eigene Sekundärwicklung mit dem Haupttransformator verbunden sein, also insbesondere über eine andere Sekundärwicklung als der erste Stromrichter. Dadurch, dass er von dem Haupttransformator mit elektrischer Energie gespeist wird, bildet der weitere Stromrichter eine definierte elektrische Last. Eine Wirkleistung von mehr als 1 kW des weiteren Stromrichters kann dabei für ausreichend stabile Verhältnisse sorgen. Eine vollständige Energieversorgung eines Bordnetzes bzw. etwaiger Hilfsbetriebe über diesen Stromrichter ist zumindest in dem geschilderten Betriebszustand nicht erforderlich, da zum Beispiel auch auf einen per Stützbremsbetrieb oder Energiespeicher gespeisten Gleichspannungs- Zwischenkreis zurückgegriffen werden kann
  • Auch dies hilft, die Betriebssicherheit gefährdende Resonanzen zu verhindern, die auftreten können, wenn beim Durchfahren der Trennstelle die primärseitige Spannungsversorgung abbricht. Es hat sich gezeigt, dass die Belastung durch den weiteren Stromrichter dämpfend auf derartige Resonanzen wirkt, insbesondere in Kombination mit der anspruchsgemäß sekundärseitig angelegten Wechselspannung und der folglich aufrechterhaltenen Magnetisierung des Haupttransformators. Insbesondere ist es hierdurch möglich, etwaige entstehende Resonanzen zumindest teilweise zu kompensieren, die entstehen können, da Induktivitäten und parasitäre Kapazitäten innerhalb des nicht-idealen Haupttransformators eine schwingungsfähige Anordnung bilden. Diese kann beim Einfahren in einer Phasen-Trennstelle samt damit einhergehende Spannungsänderungen zu Schwingungen angeregt werden.
  • Alternativ oder zusätzlich kann eine definierte elektrische Last auch dadurch bereitgestellt werden, dass wenigstens ein Traktionsmotor des Schienenfahrzeugs beim Passieren der Trennstelle Traktionsenergie erzeugt, wobei die hierfür benötigte elektrische Energie von einem weiteren Traktionsmotor erzeugt wird, der im Stützbremsbetrieb betrieben wird. Dabei wird die erzeugte Energie des weiteren Traktionsmotors bevorzugt über den oben erläuterten ersten Stromrichter zur Magnetisierung des Haupttransformators verwendet (d. h. zum dortigen Anlegen einer Wechselspannung). Der zum Erzeugen von Traktionsenergie betriebene Traktionsmotor wird hingegen bevorzugt über den oben erläuterten weiteren Stromrichter vom Haupttransformators mit elektrischer Energie gespeist. Somit stellen sich die vorstehend erläuterten Vorteile infolge einer aufrechterhaltenen Magnetisierung bei einer definierten Belastung des Haupttransformators ein.
  • Gemäß einer Weiterbildung wird die Wechselspannung derart erzeugt, dass eine Magnetisierung (d.h. ein Magnetfluss und/oder eine verbleibende Remanenz) des Haupttransformators während des Passierens der Trennstelle reduziert wird und/oder einen zulässigen Maximalwert nicht überschreitet. Insbesondere kann eine Amplitude der Wechselspannung hierfür geeignet gewählt werden und insbesondere gegenüber einer Amplitude der Primärspannung vor dem Einfahren in die Trennstelle reduziert werden. Eine Phasenlage der Wechselspannung kann hingegen prinzipiell beliebig gewählt werden, d.h. diese Weiterbildung kann alternativ (optional aber auch zusätzlich) zu einer Phasen-Synchronisierung durchgeführt werden.
  • Allgemein liegt dieser Weiterbildung der Gedanke zugrunde, die Magnetisierung des Haupttransformators derart zu begrenzen, dass selbst bei einem unsynchronisierten Einfahren in einen nach der Trennstelle liegenden Stromversorgungsabschnitt keine unerwünscht hohen Einschaltströme auftreten. Der Haupttransformator kann also gezielt (zumindest teilweise) entmagnetisiert werden, insbesondere um eine bei Einfahren in die Trennstelle zunächst vorliegende magnetische Durchflutung von z.B. 0,6 T - 0, 7 T (im Vergleich zu z.B. 1,5 T- 1,6 T bei primärseitiger Nennspannung außerhalb der Trennstelle) zu reduzieren. Diese Entmagnetisierung kann durch Erzeugen eines bevorzugt sukzessive abklingenden Wechselmagnetfelds erfolgen, das nach Maßgabe der angelegten sekundärseitigen Wechselspannung mit z.B. entsprechend sukzessiver abklingender Amplitude erzeugt wird.
  • Hierdurch soll der bei Einschaltvorgängen von Transformatoren bekannte kritische Fall vermieden werden, dass das Einschalten im Nulldurchgang einer neu oder auch wieder angelegten Primärspannung mit derselben Polarität wie eine verbleibende Remanenz erfolgt. Dies würde zu besonders hohen Einschaltströmen führen. Durch Begrenzen der Magnetisierung und bevorzugt Reduzieren der Remanenz während dem Durchfahren der Trennstelle wird sichergestellt, dass derartige besonders hohen Einschaltströme nicht erreicht oder zumindest nicht überschritten werden. Trotz optional ausbleibender Phasen-Synchronisierung werden also keine Betriebszustände erreicht, für die der Haupttransformator und/oder hiermit elektrisch verbundene Komponenten nicht ausgelegt sind oder erst gesondert ausgelegt werden müssten, da etwaige Ausgleichsströme einen Maximalwert (engl.: maximum Inrush) nicht überschreiten.
  • Genauer gesagt kann die Wechselspannung und kann insbesondere deren Amplitude derart gewählt werden, dass ein Magnetfluss des Haupttransformators (z.B. in dessen Magnetkern) eine maximale mögliche, eine gemessene oder eine typischerweise erwartete Remanenz nicht überschreitet. Dieser Magnetfluss kann den oben genannten Maximalwert bilden, der nicht überschritten werden soll. Die maximal mögliche Remanenz kann beim Ausschalten im Spannungsnulldurchgang und insbesondere nach bereits erreichter Sättigung auftreten. Als erwartete Remanenz kann von einer bei typischen Betriebsbedingungen und gegebener Haupttransformator-Konstruktion auftretende Remanenz ausgegangen werden, die bspw. einer maximalen Remanenz entsprechen kann. Im vorliegenden Fall liegt dann typischerweise zunächst eine magnetische Durchflutung in der Größenordnung dieser Remanenz vor, wenn in die Trennstelle eingefahren und sekundärseitig die Wechselspannung angelegt wird.
  • Beispielsweise kann die Amplitude im Vergleich zu der Amplitude der sekundärseitigen Wechselspannung bei einem Fahren in einem spannungsführenden Abschnitt der Stromversorgung reduziert werden (z.B. um wenigstens ein Drittel oder wenigstens die Hälfte). Eine Amplitudenreduktion kann allgemein durch verändertes Betreiben des entsprechenden Stromrichters erzielt werden, insbesondere durch ein verändertes Takten hiervon. Beispielsweise können die Takt- bzw. Einschaltzeiten des Stromrichters bei einer Pulsweitenmodulation weiter auseinanderliegen, als dies für ein Erzeugen von höheren Spannungsamplituden der Fall ist.
  • Der Zusammenhang zwischen einer Amplitude der sekundärseitigen Wechselspannung und der sich einstellenden Magnetisierung kann vorab experimentell ermittelt oder berechnet werden. Es sind auch Magnetflussmessungen möglich, sodass die Wechselspannung zum Erreichen eines gewünschten Magnetflusses geeignet geregelt werden kann. Wie hierin geschildert, kann aber allgemein ein (vorzugsweise sukzessives) Reduzieren gegenüber der vormaligen Amplitude im spannungsführende Abschnitt sowie ein Anliegen über eine gewisse Mindestanzahl von Wechselspannungs-Halbwellen eine gewünschte Entmagnetisierung ermöglichen.
  • Zum Reduzieren einer Remanenz kann allgemein vorgesehen sein, mehr als eine Halbwelle der sekundärseitigen Wechselspannung mit vorzugsweise reduzierter Amplitude zu durchlaufen und bspw. wenigstens drei oder wenigstens fünf solcher Halbwellen. Die Wechselspannungsfrequenz kann allgemein ausreichen oder gezielt angepasst werden, um sicherzustellen, dass eine solche Anzahl von Halbwellen während einer Fahrt (mit bekannter und/oder erwarteter Geschwindigkeit) durch eine Trennstelle (mit bekannter und/oder erwarteter Länge) durchlaufen werden kann.
  • Bevorzugt kann die Amplitude sukzessive reduziert werden. Zum Beispiel kann nach einer vorbestimmten Anzahl durchlaufener Ganz- oder Halbwellen (bevorzugt mehrmals) eine weitere Anzahl von Ganz- oder Halbwelle mit (bevorzugt jeweils) nochmals reduzierter Amplitude durchlaufen werden. Beispielsweise kann zunächst die Amplitude derart gewählt sein, dass die Koerzitivfeldstärke erreicht wird. Anschließend kann die Amplitude sukzessive abklingen. Ein Wert der Amplitude kann dabei jeweils über eine definierte Anzahl von Ganz- oder Halbwellen aufrechterhalten werden (z.B. über mindestens drei Halbwellen).
  • Die Amplitude der sekundärseitigen Wechselspannung kann, als ein allgemeiner Aspekt der Erfindung, ebenfalls gemessen werden oder aus Betriebsparametern des spannungserzeugenden Stromrichters ermittelt werden.
  • Es hat sich gezeigt, dass bei einer entsprechend reduzierten Remanenz und dem Vermeiden eines Bereichs von ca. 45°-55° um das genau gegenphasige Einschalten (Differenz von 180°) ein Einschaltstrom kleiner wird, als dies bei vorstehenden geschilderten ungünstigen Einschaltbedingungen maximal möglich wäre.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Schienenfahrzeug (zum Beispiel in Form eines Verbundes aus mehreren Einzelfahrzeugen, bevorzugt mit wenigstens einer Lokomotive oder wenigstens einem Triebwagen, oder aber in Form eines Einzelfahrzeugs, insbesondere einer Lokomotive oder eines Triebwagens). Das Schienenfahrzeug weist die Merkmale des beigefügten Anspruchs 8 auf und u.a.:
    • wenigstens einen Stromabnehmer zum Aufnehmen elektrischer Energie von (oder aus) einer fahrzeugexternen Stromversorgung;
    • einen Haupttransformator zum Transformieren der aufgenommenen elektrischen Energie, die an einer Primärseite des Haupttransformators bereitgestellt ist, auf ein gewünschtes Spannungsniveau an einer Sekundärseite des Haupttransformators;
    wobei während das Schienenfahrzeug eine Trennstelle der Stromversorgung passiert, eine Wechselspannung an der Sekundärseite des Haupttransformators anlegbar ist.
  • Das Schienenfahrzeug kann jegliche Weiterbildung und jegliches weitere Merkmal umfassen, um sämtliche der vorstehenden oder nachstehenden Schritte, Betriebszustände und Funktionen bereitzustellen oder auszuführen. Insbesondere kann das Schienenfahrzeug dazu eingerichtet sein, ein Verfahren gemäß jeglichem der vorstehenden oder nachstehenden Aspekte auszuführen. Sämtliche der vorstehenden Ausführungen zu und Weiterbildungen von Verfahrensmerkmalen können auch auf die gleichlautenden Fahrzeugmerkmale zutreffen bzw. bei diesen vorgesehen sein.
  • Insbesondere umfasst das Schienenfahrzeug wenigstens einen Stromrichter (zum Beispiel einen Netzstromrichter gemäß jeglichem der vorstehenden Aspekte) und eine Steuereinrichtung, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, den Stromrichter derart anzusteuern, dass dieser während des Passierens der Trennstelle als Wechselrichter betrieben wird und die an der Sekundärseite anliegende Wechselspannung erzeugt
  • Die Steuereinrichtung kann als Bestandteil des Stromrichters ausgebildet bzw. räumlich mit diesem zusammengefasst sein. Weitere mögliche Varianten und Merkmale der Steuereinrichtung werden nachstehend diskutiert. Die Steuereinrichtung (oder eine andere bzw. zusätzliche Steuereinrichtung des Schienenfahrzeugs) ist bevorzugt ferner dazu eingerichtet, die folgenden Maßnahmen, allein oder in beliebiger Kombination, auszuführen oder zu veranlassen:
    • Geschlossenhalten des Hauptschalters während eines Passierens einer Trennstelle, zum Beispiel durch Ausgeben eines entsprechenden Schließbefehls oder Verhindern der Ausgabe eines Öffnungsbefehls.
    • Anpassen der Wechselspannung an der Sekundärseite basierend auf einer gemessenen Spannung an der Primärseite, wobei die Steuereinrichtung hierfür auf die Messergebnisse von einer Spannungsmesseinrichtung und insbesondere einem Oberspannungswandler des Schienenfahrzeugs zurückgreifen kann.
    • Verändern einer Phasenlage der Spannung an der Primärseite gegenüber einer Phasenlage vor dem Passieren der Trennstelle, wofür die Wechselspannung geeignet eingestellt werden kann. Die Anpassung kann in der vorstehend erläuterten Weise derart erfolgen, dass die geänderte Phasenlage einer nach der Trennstelle erwarteten und/oder gemessenen Phasenlage der Stromversorgung entspricht.
    • Das Schienenfahrzeug umfasst ferner einen ersten Stromrichter, der wahlweise als Gleichrichter zum Gleichrichten einer von dem Haupttransformator transformierten Spannung für das Versorgen eines Gleichspannungs-Zwischenkreises des Schienenfahrzeugs betreibbar ist oder als Wechselrichter zur elektrischen Energieversorgung des Haupttransformators mit Energie aus dem Gleichspannungs-Zwischenkreis. Die Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, den ersten Stromrichter als Wechselrichter zum Erzeugen der Wechselspannung zu betreiben, während das Schienenfahrzeug eine Trennstelle der Stromversorgung passiert und/oder diesen als Gleichrichter zu betreiben, insbesondere nach dem Passieren der Trennstelle.
  • Aus dem Gleichspannungs-Zwischenkreis können (bevorzugt ebenfalls unter Steuerung durch die Steuereinrichtung) Hilfsbetriebe des Schienenfahrzeugs (bspw. Lüfter, Innenraumbeleuchtung, Fahrzeugklimatisierung) über ein sogenanntes Bordnetz versorgt werden. Weiter umfasst das Schienenfahrzeug bevorzugt wenigstens einen Traktionsmotor, der ebenfalls mit Energie aus dem Gleichspannungs-Zwischenkreis angetrieben werden kann. Hierfür kann ein Motorstromrichter vorgesehen sein, der die Zwischenkreisspannung in eine für den Betrieb des Traktionsmotors geeignete Wechselspannung wandelt.
  • Als eine alternative elektrische Energiequelle für die Hilfsbetriebe, den Traktionsmotor oder aber den ersten Stromrichter, kann das Schienenfahrzeug auch wenigstens einen elektrischen Energiespeicher umfassen (zum Beispiel in Form einer Batterie). Weiter kann ein vorstehend erwähnter Stützbremsbetrieb aktiviert werden (zum Beispiel durch die Steuereinrichtung), in dem einer der Traktionsmotoren als Generator betrieben wird und zum Beispiel elektrische Energie unter Gleichrichten mittels eines Motorstromrichters in den Gleichspannung-Zwischenkreis zurückspeist.
    • Das Schienenfahrzeug umfasst auch einen ein weiteren Stromrichter, der beim Passieren einer Trennstelle als Gleichrichter betreibbar und dabei von dem Haupttransformator mit elektrischer Energie versorgbar ist. Der Stromrichter kann ebenfalls ein Netzstromrichter und wahlweise als Gleichrichter oder Wechselrichter betreibbar sein. Durch Ansteuern mittels der Steuereinrichtung kann der gewünschte Betriebsmodus eingestellt werden.
  • Die Steuereinrichtung kann wenigstens eine Prozessoreinrichtung umfassen, die bevorzugt wenigstens einen Mikroprozessor aufweist. Die Prozessoreinrichtung kann dazu eingerichtet sein, Programmanweisungen auszuführen, die zum Beispiel auf einer Speichereinrichtung für bevorzugt digitale Information hinterlegt sind. Hierdurch kann die Steuereinrichtung das Schienenfahrzeug dazu veranlassen, sämtliche hierin geschilderten Verfahrensschritte und Verfahrensmaßnahmen auszuführen. Insbesondere kann die Steuereinrichtung sämtliche hierin geschilderten Funktionen von ATC-Systemen ausführen oder ein solches auf ATC-System bereitstellen bzw. hiervon umfasst sein.
  • Die Steuereinrichtung kann in eine einzige Einheit oder in eine einzige übergeordnete Komponente des Schienenfahrzeugs integriert sein, wie zum Beispiel in einen Stromrichter. Die Steuereinrichtung kann auch mehrere (elektronische und/oder digitale) Steuergeräte umfassen, die im Schienenfahrzeug verteilt sind und bevorzugt jeweils wiederum eine Prozesseinrichtung umfassen. Zumindest einige der verteilten Steuergeräte sind dabei bevorzugt dazu eingerichtet, miteinander zu kommunizieren. Eines der Steuergeräte kann ein zentrales Steuergerät sein und Informationen von anderen Steuergeräten erhalten und/oder diese zum Ausführen der erfindungsgemäßen Schritte und Maßnahmen ansteuern.
  • Im Folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten schematischen Figuren erläutert. In Ihrer Art und/oder Funktion übereinstimmende Merkmale können dabei figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Es stellen dar:
    • Fig. 1: eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei das Schienenfahrzeug ein erfindungsgemäßes Verfahren ausführt;
    • Fig. 2: eine schematische Ansicht eines Antriebssystems des Schienenfahrzeugs aus Figur 1;
    • Fig. 3: Diagramme zum Erläutern des Verlaufs der Geschwindigkeit und der Traktionsleistung beim Passieren einer Trennstelle; und
    • Fig. 4: ein Ablaufschema eines Verfahrens, das von dem Schienenfahrzeug der Figuren 1 und 2 ausgeführt wird.
  • In Figur 1 ist ein Schienenfahrzeug 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Das Schienenfahrzeug 10 umfasst einen Verbund aus Einzelfahrzeugen im Form von einem Mittelwagen 11 und zwei Triebwagen 13. Die hierin erläuterten Komponenten des Schienenfahrzeugs 10 können prinzipiell in beliebiger Weise auf den Mittelwagen 11 und die Triebwagen 13 verteilt werden. Ebenso könnte aber auch lediglich eines der Einzelfahrzeuge 11, 13 sämtliche dieser Komponenten umfassen und ein Schienenfahrzeug 10 im Sinne dieser Offenbarung bilden.
  • Das Schienenfahrzeug 10 könnte auch mit einer gleichartigen Schienenfahrzeug 10 gekoppelt sein, das zum Beispiel vorausfährt. Dann könnte jedes dieser miteinander gekoppelten Schienenfahrzeuge 10 unabhängig voneinander in der nachstehend beschriebenen Weise betrieben werden.
  • Das Schienenfahrzeug 10 verkehrt auf einer Strecke 12, entlang derer eine Oberleitungsanlage 14 verläuft. Die Oberleitungsanlage 14 bildet eine fahrzeugexterne Stromversorgung 15. Sie umfasst in an sich bekannter Weise Masten 16, deren Abstände zueinander wie auch sämtliche weiteren Größenverhältnisse in Figur 1 nur schematisch dargestellt sind.
  • Zwischen den Masten 16 verlaufen spannungsführende Fahrdrahtabschnitte 18. Jeder dieser Fahrdrahtabschnitte 18 wird durch ein eigenes Unterwerk 20 gespeist, wobei jedes Unterwerk 20 aus einem übergeordneten Stromversorgungsnetz 23 (zum Beispiel aus einem Landesnetz) gespeist wird.
  • Im Bereich der Masten 16 sind benachbarte Fahrdrahtabschnitte 18 durch Phasen-Trennstellen 22 voneinander getrennt und genauer gesagt elektrisch voneinander isoliert. Die Phasen-Trennstellen 22 führen im gezeigten Ausführungsbeispiel keine Spannung und stellen daher neutrale Abschnitte der Stromversorgung 15 dar, in denen keine Energieaufnahme durch das Schienenfahrzeug 10 möglich ist.
  • Durch diesen Aufbau wird bekanntermaßen ermöglicht, dass jedes Unterwerk 20 einen zugeordneten Fahrdrahtabschnitt 18 mit einer individuellen Wechselstromphase aus dem dreiphasigen Stromversorgungsnetz 23 versorgt, um Schieflasten im Stromversorgungsnetz 23 zu vermeiden. In dem gezeigten Beispiel wechseln sich die Phasen dabei gleichmäßig ab, sodass in jedem Fahrradabschnitt 18 eine andere Phase anliegt als in dem in Fahrtrichtung F betrachtet vorausliegenden Fahrdrahtabschnitt 18.
  • Derartiges a priori Wissen kann in einer Steuereinrichtung 32 des Schienenfahrzeugs bzw. einer hiermit verbundenen Speichereinrichtung 34 hinterlegt sein oder von der Steuereinrichtung 32 von einem nicht dargestellten Infrastruktur-Server abgefragt werden. Bestandteil dieses Wissens kann auch sein, welcher Fahrdrahtabschnitt 18 welche Phase führt, was die Steuereinrichtung 32 entsprechend ermitteln bzw. auslesen kann.
  • Das Schienenfahrzeug 10 weist optional eine Phasendetektionseinrichtung 31 auf, mit der die Phase eines Fahrdrahtabschnittes 18 zusätzlich oder alternativ sensorisch erfasst werden kann. Die Phasendetektionseinrichtung 31 ist derart positioniert, dass sie gegenüber einem Stromabnehmer 30 des Schienenfahrzeugs 10 in Fahrtrichtung F betrachtet weiter vorne liegt. Der Stromabnehmer 30 ist in Kontakt mit den Fahrdrahtabschnitten 18 bringbar, um von diesen elektrische Energie aufzunehmen. Je nachdem, aus welchem Fahrdrahtabschnitt 18 das Schienenfahrzeug 10 aktuell gespeist wird, wird über den Stromabnehmer 30 ein Wechselstrom mit einer andersartigen Phase erhalten.
  • Es kann auch vorgesehen sein, dass das Schienenfahrzeug 10 zwei Stromabnehmer 30 und zwei Phasendetektionseinrichtungen 31 umfasst, wobei an jedem (in Fahrtrichtung F betrachtet) vorderen und hinteren Ende des Schienenfahrzeugs 10 ein Stromabnehmer 30 und eine Phasendetektionseinrichtung 31 angeordnet ist. Je nach aktueller Fahrtrichtung F wird dann bevorzugt derjenige Stromabnehmer 30 angehoben und in Kontakt mit der Stromversorgung 15 gebracht, der in Fahrtrichtung F betrachtet hinten liegt, und wird diejenige Phasendetektionseinrichtung 31 betrieben und ausgewertet, die in Fahrtrichtung F betrachtet vorne liegt.
  • Dies ermöglicht, dass die Phase eines vorausliegenden Fahrtdrahtabschnittes 18 bereits erkannt wird, wenn sich der Stromabnehmer 30 noch im Bereich des vorangehenden Fahrtdrahtabschnittes 18 befindet oder aber innerhalb der Phasen-Trennstelle 22. Somit existiert ein Zeitvorsprung bis zum Erreichen des nächsten Fahrtdrahtabschnitts 18, innerhalb dem zum Beispiel eine Phasen-Synchronisierung der hierin erläuterten Art durchgeführt werden kann.
  • Während einer Fahrt in die Fahrtrichtung F passiert das Schienenfahrzeug 10 mehrere Fahrdrahtabschnitte 18 mit unterschiedlichen Wechselspannungsphasen sowie auch die dazwischenliegenden neutralen Abschnitte in Form der Phasen-Trennstellen 22. Im Bereich dieser Phasen-Trennstellen 22 ist die Energieaufnahme aus dem Landesnetz 23 bzw. der Stromversorgung 15 temporär unterbrochen.
  • Einleitend wurde erläutert, wie sich dies bisher auf den Betrieb eines Schienenfahrzeugs 10 ausgewirkt hat und welche Maßnahmen beim Passieren von Phasen-Trennstelle 22 ergriffen wurden. Im Folgenden wird anhand von Figur 2 ein erfindungsgemäßes alternatives Vorgehen erläutert.
  • Figur 2 zeigt ein schematisch vereinfachtes Antriebssystem 36 des nicht näher dargestellten Schienenfahrzeugs 10 aus Figur 1. Wie erwähnt, können die Komponenten dieses Antriebssystem 36 prinzipiell auf beliebige Einzelfahrzeuge 11, 13 des Schienenfahrzeugs 10 verteilt, optional aber in einem der Triebwägen 13 zusammengefasst werden. Weiter können sämtliche der gezeigten Komponenten des Antriebsystems 36 mit der Steuereinrichtung 32 verbunden sein, um an diese Signale zu übermitteln und/oder Steuersignale von dieser zu erhalten. Dies gilt auch für die Phasendetektionseinrichtung 31 aus Figur 1.
  • Das Antriebssystem 36 ist elektrisch mit dem ebenfalls gezeigten Stromabnehmer 30 verbunden. Ausgehend von dem Stromabnehmer 30 wird die aufgenommene elektrische Energie über einen herkömmlichen Oberspannungswandler 40 und einen herkömmlichen Hauptschalter 38 zu einem ebenfalls herkömmlichen Haupttransformator 42 geführt. Der Hauptschalter 38 ist in bekannter Weise dazu eingerichtet, durch selektives Öffnen die elektrische Verbindung zwischen dem Stromabnehmer 30 und dem Haupttransformator 42 zu trennen.
  • Der Oberspannungswandler 40 kann eine anliegende Spannung und/oder einen Stromfluss messen, der primärseitig an dem Haupttransformator 42 anliegt. Der Oberspannungswandler 40 ist dabei in herkömmlicher Weise zwischen den Stromabnehmer 20 und den Hauptschalter 38 geschaltet.
  • Der innere Aufbau des Haupttransformators 42 ist ebenfalls stark vereinfacht dargestellt. Gezeigt sind ein Magnetkern 48 und eine Primärwicklung 44, an der eine Primärspannung anliegt. Ferner gezeigt sind Sekundärwicklungen 46, an denen eine (transformierte) Sekundärspannung anliegt. Bei der Zuordnung der Begriffe primär und sekundär wird von einem Hauptbetriebszustand des Haupttransformators 42 ausgegangen, bei dem über den Stromabnehmer 30 aufgenommene elektrische Energie primärseitig bereitgestellt ist und zur weiteren Verwendung innerhalb des Schienenfahrzeugs 10 in eine sekundärseitige Spannung gewandelt wird.
  • An jeder der Sekundärwicklungen 46 ist ferner ein Stromrichter angeschlossen, nämlich ein erster Stromrichter 50 und ein weiterer Stromrichter 52. Beide Stromrichter 50, 52 die auch als Netzstromrichter bezeichnet werden können, sind wahlweise als Gleichrichter oder als Wechselrichter betreibbar und mit einem Gleichspannungs-Zwischenkreis 51 verbunden. Mit diesem Gleichspannungs-Zwischenkreis 51 sind auch Traktionsmotoren 56 verbunden, die wahlweise motorisch oder generatorisch betrieben werden können. Zwischen dem Gleichspannungs-Zwischenkreis 51 und den Traktionsmotoren 56 ist jeweils ein Motorstromrichter 54 geschaltet, der wiederum wahlweise als Gleichrichter (für den generatorischen Betrieb) oder als Wechselrichter (für den motorischen Betrieb) betreibbar ist.
  • Mit dem Gleichspannungs-Zwischenkreis 51 sind auch nicht näher dargestellte Hilfsbetriebe 58 über ein Bordnetz 57 verbunden. Es ist auch möglich, alternativ zu der Variante aus Figur 2 die Hilfsbetriebe 58 über eine separate Sekundärwicklung 46 und unabhängig von dem Gleichspannung-Zwischenkreis 51, an den auch die Traktionsmotoren 56 angeschlossen sind, mit elektrischer Energie zu versorgen. Auch dann würde aber wenigstens ein weiterer Stromrichter 52 zwischen dieser Sekundärwicklung 56 und den Hilfsbetrieben 58 vorhanden sein und in der nachstehend erläuterten Weise betrieben werden.
  • Wenn der Stromabnehmer 20 mit einem spannungsführenden Fahrdrahtabschnitt 18 in Kontakt steht und der Hauptschalter 38, wie während der Fahrt allgemein der Fall, geschlossen ist, liegt die einphasige Wechselspannung der Stromversorgung 15 primärseitig an dem Haupttransformator 42 an (abzüglich hierin nicht näher betrachtete Leitungsverluste). Der Haupttransformator 42 wandelt diese Spannung in eine sekundärseitige Spannung um, die typischerweise niedriger ist.
  • Weiter werden in diesem Fall bevorzugt beide der Stromrichter 50, 52 als Gleichrichter betrieben und speisen den Gleichspannungs-Zwischenkreis 51 mit elektrischer Energie, die von dem Haupttransformator 42 bereitgestellt wird. Der Gleichspannungs-Zwischenkreis 51 speist die Motorstromrichter 54, die Wechselspannung für den motorischen Betrieb der Traktionsmotoren 56 erzeugen. Außerdem werden die Hilfsbetriebe 58 aus dem Gleichspannungs-Zwischenkreis 51 gespeist.
  • Gelangt der Stromabnehmer 30 nun in den neutralen Abschnitt einer Phasen-Trennstelle 22, würde gemäß Stand der Technik bereits im Vorfeld die Traktionskraft automatisch oder manuell gedrosselt werden, würde der Hauptschalter 38 geöffnet und würden die Stromrichter 50, 52 gesperrt werden. Dies bringt die einleitend diskutierten Nachteile mit sich.
  • In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist stattdessen vorgesehen, nach bevorzugt ebenfalls durchgeführter automatischer oder manueller Rücknahme der Traktionsleistung den Hauptschalter 38 auch beim Passieren einer Phasen-Trennstelle 22 geschlossen zu halten.
  • Primärseitig liegt am Haupttransformator 42 dann typischerweise keine Spannung an, wie dies beim bisherigen Öffnen des Hauptschalters 38 auch der Fall ist. Um die hiervon ausgehenden Instabilitäten des Magnetfelds des Haupttransformators 42 zu kompensieren, ist erfindungsgemäß aber vorgesehen, dass der erste Stromrichter 50 beim Durchfahren der Phasen-Trennstelle 22 eine Wechselspannung erzeugt, die an der entsprechenden Sekundärwicklung 46 des Haupttransformators 42 anliegt. Prinzipiell wäre dies auch bei geöffnetem Hauptschalter 38 möglich. Hierüber wird das Magnetfeld 42 zumindest teilweise definiert aufrechterhalten und wird auch eine primärseitige Spannung an der Primärwicklung 44 induziert. Wie geschildert, wird hierdurch vermieden, dass der Haupttransformator 42 seine Magnetisierung signifikant abbaut, was zu hohen Einschaltströmen bei einem Wiedereinfahren in einen spannungsführenden Fahrdrahtabschnitt 18 führen würde. Auch können hierdurch Resonanzen gedämpft werden.
  • Zur Energieversorgung des ersten Stromrichters 50 aus dem Gleichspannungs-Zwischenkreis 51 wird wenigstens einer der Traktionsmotoren 56 generatorisch betrieben und wandelt die Traktionsenergie des weiterrollenden Schienenfahrzeugs 10 in elektrische Energie um (Stützbremsbetrieb). Der zugeordnete Motorstromrichter 54 wird dann als Gleichrichter betrieben.
  • Weiter sieht das Ausführungsbeispiel bevorzugt vor, die sekundärseitige Wechselspannung derart zu erzeugen, dass die primärseitige Spannung des Haupttransformators 42 mit der Phasenlage der Spannung im vorausliegenden Fahrbahnabschnitt 18 synchronisiert ist. Hierfür kann die Steuereinrichtung 21 von der Phasendetektionseinrichtung 31 Signale betreffend eine detektierte vorausliegende Phasenlage erhalten und den ersten Stromrichter 50 entsprechend ansteuern. Mittels dieser Synchronisation können hohe Ausgleichsströme beim Einfahren in den vorausliegenden Fahrdrahtabschnitt 18 verhindert werden.
  • Zusätzlich oder alternativ können hinterlegte Informationen zu den Phasenlagen in einzelnen Fahrbahnabschnitten 18 zum Beispiel aus der Speichereinrichtung 34 ausgelesen werden und kann die Steuereinrichtung 32 darauf basierend den ersten Stromrichter 50 entsprechend ansteuern. Hierfür kann die Steuereinrichtung 32 eine Ortserkennung vornehmen, zum Beispiel anhand von GPS-Signalen oder anhand von Positionsmarkierungen, wie sie von ATC-Systemen automatisch erkennbar sind. Auch die Kombination von GPS- und Dopplerradar-Signalen sowie etwaige Synchronisationen hierzwischen mittels fahzeugmontierter (GSM) Antennen sind im Stand der Technik bekannt (sh. z.B. bei Level 2 und 3 des ETCS (European Train Control System)-Standards) Auf diese Weise kann dann der aktuelle und/oder der vorausliegende Fahrdrahtabschnitt 18 identifiziert werden und können für diesen Fahrdrahtabschnitt 18 hinterlegte oder abrufbare Informationen zur Phasenlage ermittelt werden.
  • Der Vollständigkeit halber sind in Figur 2 auch wieder die Steuereinrichtung 32 und die Speichereinrichtung 34 eingetragen. Ferner sind strichliert beispielhafte Kommunikationsverbindungen gezeigt, die auch über einen Fahrzeugbus bereitgestellt werden könnten. Die Steuereinrichtung 32 kann prinzipiell dazu eingerichtet sein, über die Kommunikationsverbindungen Steuersignale an jeden der erwähnten Stromrichter 50, 52, 54 und optional auch den Hauptschalter 38 auszugeben, um diese Komponenten in der hierin geschilderten Weise zu betreiben. Über den Oberspannungswandler 40 aber auch die Detektionseinrichtung 31 kann die Steuereinrichtung 32 ferner Messsignale erhalten. Eine weitere Alternative, bei der eine vorausliegende Phasenlage lediglich vermutet wird, in der Annahme, dass diese sich von der gerade durchfahrenen Phasenlage unterscheidet, wird im allgemeinen Beschreibungsteil erläutert.
  • Weiter ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der weitere Stromrichter 52 ebenfalls nicht gesperrt wird, sondern als ein Gleichrichter betrieben und von dem Haupttransformator 42 gespeist wird. Genauer gesagt wandelt dieser weitere Stromrichter 52 eine an der zugeordneten Sekundärwicklung 46 anliegende Sekundärspannung um und speist damit den Gleichspannungs-Zwischenkreis 51. Hierüber können dann die Hilfsbetriebe 58 weiter betrieben werden, obwohl aufgrund der Phasen-Trennstelle 22 keine ausreichende Energieversorgung durch die Stromversorgung 15 vorliegt.
  • Bildlich gesprochen werden also die Hilfsbetriebe 58 mittels eines Energieflusses versorgt, der über ersten Stromrichter 50, den Haupttransformator 42 und den weiteren Stromrichter 52 verläuft. Hierdurch wird der Haupttransformator 42 weiter stabilisiert und werden insbesondere Resonanzen des Magnetfeldes besonders effektiv gedämpft, die aufgrund der Änderung primärseitigen Spannung 44 auftreten könnten.
  • Optional wäre es auch möglich, einen der Traktionsmotoren 56 motorisch zu betreiben, um die elektrische Last zu erhöhen, die der Haupttransformator 42 versorgen muss. Dies ist insbesondere dann relevant, wenn die elektrische Last in Form der Hilfsbetriebe 58 unterhalb einer gewünschten Mindestlast liegt. Dies kann durch die Steuereinrichtung 32 des Schienenfahrzeugs 10 überprüft und bedarfsweise aktiviert werden.
  • Die Auswirkungen dieses Vorgehens verdeutlichen sich aus den Diagrammen von Figur 3. In dem oberen Diagramm ist ein Geschwindigkeitsverlauf V über eine Zeitachse t aufgetragen, der bei dem Durchfahren einer Phasen-Trennstelle 22 auftritt. In dem unteren Diagramm ist ein Verlauf der Traktionsleistung T über eine Zeitachse t aufgetragen, der bei dem Durchfahren einer Phasen-Trennstelle 22 auftritt. Mit durchgezogenen Linie sind dabei jeweils die Verläufe gezeigt, die mit der erfindungsgemäßen Lösung erhalten werden. Strichliert sind Verläufe gezeigt, die mit den bisherigen Ansätzen gemäß Stand der Technik erhalten werden, bei denen das Antriebssystem 36 elektrisch abgeschaltet wird und insbesondere keine Spannungsversorgung des Haupttransformators 42 mehr erfolgt.
  • In dem oberen Diagramm erkennt man bezugnehmend auf die durchgezogene Linie, dass der Stromabnehmer 20 des Schienenfahrzeugs 10 zu einem Zeitpunkt T1 eine Phasen-Trennstelle 22 erreicht und ab dann die Energieaufnahme aus der Stromversorgung 15 unterbrochen ist. Die Geschwindigkeit beginnt sich daraufhin zu verringern, da automatisch per fahrerautonomer ATC-Steuerung die Traktionsleistung zurückgefahren wird. Zu einem Zeitpunkt T2 wird das Ende der Phasen-Trennstelle 22 erreicht und wird dann wieder begonnen, (ebenfalls bevorzugt per fahrerautonomer ATC-Steuerung) die Traktionsleistung hochzufahren. Das Schienenfahrzeug 10 erreicht in der Folge zum Zeitpunkt T3 wieder die ursprüngliche Geschwindigkeit vor der Phasen-Trennstelle 22.
  • Eine Zustandserkennung, die das Einfahren und Ausfahren aus einer Phasen-Trennstelle 22 ermöglicht, kann mittels der Detektionseinrichtung 31 erfolgen oder aber durch Spannungsmessungen mit dem Oberspannungswandler 40 aus Figur 1. Diese Komponenten können entsprechende Signale an die Steuereinrichtung 32 übermitteln, die daraufhin die geschilderten Maßnahmen einleitet. Allgemein und nicht beschränkt auf die Details des Ausführungsbeispiels kann die Steuereinrichtung 32 des Schienenfahrzeugs 10 jegliche hierin geschilderten ATC-Funktionen ausführen und/oder bereitstellen.
  • Im Gegensatz dazu erkennt man bei dem strichlierten Verlauf gemäß Stand der Technik, dass bereits vor dem Erreichen der Phasen-Trennstelle 22 zu einem Zeitpunkt T0 ein Geschwindigkeitsabfall eintritt, da vorausschauend der Hauptschalter 38 geöffnet wird. Zudem setzt sich die Verlangsamung bis über den Zeitpunkt T3 und das Verlassen der Phasen-Trennstelle 22 hinaus fort, da dann zunächst der Hauptschalter 38 wieder geschlossen werden muss und auch weitere einleitend geschilderte Maßnahmen vor der Wiederaufnahme einer Traktionsenergieerzeugung getroffen werden müssen. Erst zu einem deutlich späteren Zeitpunkt T5 wird deshalb wieder die ursprüngliche Geschwindigkeit erreicht.
  • Man erkennt also, dass die erfindungsgemäße Lösung erhebliche Vorteile hinsichtlich der Fahrdynamik bietet, da die Zeitdauer (T1-T3) ohne Traktionsenergieerzeugung deutlich kürzer ausfällt als im Stand der Technik (T0-T5). Als Konsequenz fällt auch eine minimale Geschwindigkeit (bei T2) geringer als im Stand der Technik aus (bei T4) und die ursprüngliche Geschwindigkeit wird früher wieder erreicht (siehe T3 gegenüber T5).
  • Im unteren Diagramm von Figur 3 sind bezugnehmend auf die gleichen Zeitpunkte T0-T4 Verläufe der vom Schienenfahrzeug 10 erzeugten Traktionsleistung T gezeigt. Zum Zeitpunkt T1 (Erreichen der Phasen-Trennstelle 22), ggf. aber auch bereits etwas früher, wird bei dem erfindungsgemäßen durchgezogenen Verlauf begonnen, die Traktionsleistung T abzubauen, und zwar bevorzugt nur stufenweise bzw. graduell, um ruckhafte Verlangsamungen und das Auftreten von Überspannungen zu begrenzen. Dies wird bis zum Erreichen des Endes der Phasen-Trennstelle 22 zum Zeitpunkt T2 fortgesetzt bzw. aufrechterhalten. Ab diesem Zeitpunkt T2 wird aufgrund der geeignet eingestellten primärseitigen Phasenlage dann unmittelbar wieder begonnen, die Traktionsleistung T zu erhöhen. Die Traktionsleistung T kann auf Null oder einen deutlich reduzierten Wert zurückgefahren werden, wobei in Fig. 3 unten nur aus Darstellungsgründen ein Abstand zur unteren Achse gewahrt ist.
  • Bei der strichlierten Linie gemäß Stand der Technik wird erneut bereits vor dem Erreichen der Phasen-Trennstelle 22 zum Zeitpunkt T0 der Hauptschalter 38 geöffnet und daher frühzeitig begonnen, die Traktionsleistung T herunterzufahren. Erst zum Zeitpunkt T4 wird dann die Traktionsleistung wieder hochgefahren, wobei dieser Zeitpunkt T4 deutlich hinter dem Zeitpunkt T2 des Erreichens des Endes der Phasen-Trennstelle 22 liegt. Grund sind Zeitverzögerung, da das erneute Anliegen einer Spannung erkannt werden muss, anschließend der geöffnete Hauptschalter 38 erst wieder geschlossen werden muss und die vormals gesperrten Stromrichter 50, 52 dann erst wieder angetaktet werden können.
  • Auch hieraus verdeutlicht sich der Dynamikverlust des Schienenfahrzeugs 10 beim Passieren einer Phasen-Trennstelle 22 im Vergleich zu der erfindungsgemäßen Lösung.
  • Abschließend wird in Figur 4 ein Ablaufschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 3 erläutert. Die geschilderte Schrittfolge legt dabei keine zwingende zeitliche Reihenfolge fest, sofern nicht anders angegeben oder ersichtlich.
  • In einem Schritt S1 wird das Erreichen einer Phasen-Trennstelle 22 erkannt, zum Beispiel fahrerautonom durch die Steuereinrichtung 32 in Zusammenwirkung mit der Detektionseinrichtung 31 und/oder durch Messen der anliegenden Spannung mit dem Oberspannungswandler 40.
  • In einem Schritt S2 wird der Hauptschalter 38 geschlossen gehalten. Dies kann umfassen, dass die Steuereinrichtung 32 eine entsprechende Öffnungs-Signalausgabe durch andere Steuereinrichtungen unterdrückt oder dass prinzipiell keine entsprechende Öffnungs-Signalerzeugung erfolgt. Der Schritt S2 ist somit nicht zwingend mit einer tatsächlich durchgeführten Aktion verbunden.
  • In einem Schritt S3 wird daraufhin der erste Stromrichter 50 als Wechselrichter betrieben (zum Beispiel unter Ansteuerung durch die Steuereinrichtung 32) und aus dem Gleichspannungs-Zwischenkreis 51 gespeist. Die erzeugte Wechselspannung liegt sekundärseitig am Haupttransformator 42 an und resultiert in einer primärseitigen Spannung. Wie geschildert, wird die Wechselspannung dabei derart erzeugt, dass eine Phasenlage der resultierenden primärseitigen Spannung mit einer bekannten, vermuteten und/oder detektierten Phasenlage des vorausliegenden Fahrdrahtabschnitts 18 möglichst synchronisiert ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist es auch möglich, zum Beispiel mit dem Oberspannungswandler 40, der aufgrund des Geschlossenhaltens des Hauptschalters 38 nach wie für ein Messen der primärseitigen Spannung verwendbar ist, die primärseitig erzeugte Spannung zu messen und den Betrieb des ersten Stromrichters 50 bzw. die hiervon erzeugte Wechselspannung geeignet anzupassen. Hierdurch kann zum Beispiel die gewünschte Phasenlage der Primärspannung sichergestellt werden.
  • In einem Schritt S4, der auch vor oder gleichzeitig zu dem Schritt S3 ausgeführt werden kann, wird dann mit dem weiteren Stromrichter 52 in der vorstehend geschilderten Weise eine elektrische Last an den Haupttransformator 42 angelegt.
  • In einem Schritt S5 wird das Verlassen der Phasen-Trennstelle 22 registriert (beispielsweise erneut mittels der Detektionserrichtung 31 oder dem Oberspannungswandler 40). Der erste Stromrichter 50 wird dann wieder als Gleichrichter betrieben und die Traktionsleistung T des Schienenfahrzeugs 10 wird bevorzugt fahrerautonom hochgefahren.
  • Aufgrund der aufrechterhaltenen Magnetisierung des Haupttransformators 42 treten im Schritt S5 keine signifikanten Einschaltströme auf. Zudem verhindert die erfolgte Synchronisation der Phasenlage der Primärspannung mit der Phasenlage nach der Phasen-Trennstelle 22 hohe Ausgleichsströme. Weiter werden durch das Geschlossenhalten des Hauptschalters 38 Zeitverluste vermieden, die mit einem Öffnen und erneuten Schließen einhergehen würden. Auch wird der Hauptschalter 38 durch ausbleibende Öffnungs- und Schließvorgänge weniger belastet und erfährt einen geringeren Verschleiß.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Schienenfahrzeugs (10) beim Passieren von Trennstellen (22) in einer fahrzeugexternen Stromversorgung (15), wobei das Schienenfahrzeug (10) umfasst:
    - wenigstens einen Stromabnehmer (30) zum Aufnehmen elektrischer Energie von der Stromversorgung (15);
    - einen Haupttransformator (42) zum Transformieren der aufgenommenen elektrischen Energie, die an einer Primärseite des Haupttransformators (42) bereitgestellt ist, auf ein gewünschtes Spannungsniveau an einer Sekundärseite des Haupttransformators (42);
    - einen ersten Stromrichter (50), der wahlweise als Gleichrichter zum Gleichrichten einer von dem Haupttransformator (42) transformierten Spannung für das Versorgen eines Gleichspannungs-Zwischenkreises (51) des Schienenfahrzeugs betreibbar ist oder als Wechselrichter zur elektrischen Energieversorgung des Haupttransformators (42) mit Energie aus einem Gleichspannungs-Zwischenkreis (51) betreibbar ist; und
    - einen weiteren Stromrichter (52), der als Gleichrichter betreibbar und von dem Haupttransformator mit elektrischer Energie speisbar ist;
    wobei das Verfahren umfasst:
    - Anlegen einer Wechselspannung an die Sekundärseite des Haupttransformators (42) durch den als Wechselrichter betriebenen ersten Stromrichter (50), während das Schienenfahrzeug (10) eine Trennstelle (22) der Stromversorgung (15) passiert,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    während des Passierens der Trennstelle (22) der weitere Stromrichter (52) als Gleichrichter betrieben und von dem Haupttransformator (42) mit elektrischer Energie gespeist wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    wobei das Schienenfahrzeug (10) ferner einen Hauptschalter (38) umfasst, der dazu eingerichtet ist, bei einem Öffnen eine elektrische Verbindung zwischen dem Stromabnehmer (30) und dem Haupttransformator (42) zumindest temporär zu trennen, und wobei das Verfahren umfasst:
    - Geschlossenhalten des Hauptschalters (38) während eines Passierens einer Trennstelle (22).
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    wobei eine an der Primärseite anliegende Spannung gemessen und darauf basierend die Wechselspannung an der Sekundärseite angepasst wird.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    wobei die Wechselspannung derart erzeugt wird, dass eine Phasenlage der Spannung an der Primärseite gegenüber einer Phasenlage der Spannung an der Primärseite vor dem Passieren der Trennstelle (22) verändert wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4,
    wobei die geänderte Phasenlage einer Phasenlage der Stromversorgung (15) nach der Trennstelle (22) entspricht oder eine Phasendifferenz zu dieser Phasenlage nach der Trennstelle (22) eine zulässige Maximaldifferenz nicht überschreitet.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    wobei während eines Passierens einer Trennstelle (22) ein Stützbremsbetrieb aktiviert wird, um dem Gleichspannungs-Zwischenkreis (51) Energie zuzuführen.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    wobei die Wechselspannung derart erzeugt wird, dass eine Magnetisierung des Haupttransformators (42) während des Passierens der Trennstelle (22) reduziert wird und/oder einen zulässigen Maximalwert nicht überschreitet.
  8. Schienenfahrzeug (10), mit:
    - wenigstens einem Stromabnehmer (30) zum Aufnehmen elektrischer Energie von einer fahrzeugexternen Stromversorgung (15);
    - einem Haupttransformator (42), zum Transformieren der aufgenommenen elektrischen Energie, die an einer Primärseite des Haupttransformators (42) bereitgestellt ist, auf ein gewünschtes Spannungsniveau an einer Sekundärseite des Haupttransformators (42);
    - einem ersten Stromrichter (50), der wahlweise als Gleichrichter zum Gleichrichten einer von dem Haupttransformator (42) transformierten Spannung für das Versorgen eines Gleichspannungs-Zwischenkreises (51) des Schienenfahrzeugs betreibbar ist oder als Wechselrichter zur elektrischen Energieversorgung des Haupttransformators (42) mit Energie aus dem Gleichspannungs-Zwischenkreis (51) betreibbar ist;
    - einem weiteren Stromrichter (52), der als Gleichrichter betreibbar und von dem Haupttransformator mit elektrischer Energie speisbar ist;
    - einer Steuereinrichtung (32), wobei die Steuereinrichtung (32) dazu eingerichtet ist, den ersten Stromrichter (50) derart anzusteuern, dass dieser während des Passierens der Trennstelle (22) als Wechselrichter betrieben wird und die an der Sekundärseite anliegende Wechselspannung erzeugt
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Steuereinrichtung (32) ferner dazu eingerichtet ist, den weiteren Stromrichter derart anzusteuern, dass dieser während des Passierens der Trennstelle (22) als Gleichrichter betrieben und von dem Haupttransformator (42) mit elektrischer Energie gespeist wird.
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